3 Ис на моп-структурах в малошумящих усилителях

Одни из первых экспериментальных исследований шумов интегральных МОП-транзисторов позволили установить, что в области низких и средних частот приведенный к затвору шум значительно больше для n-канального МОП-транзистора по сравнению с p-канальным при прочих равных условиях, а увеличение обратного смещения подложки (кармана), в которой индуцируется канал, уменьшает уровень шумов в области средних частот. Так, для техпроцесса изготовления БИС AMPLEX спектральная плотность шумов p-канального транзистора размерами W/L = 11000/3 почти в 30 раз меньше, чем n-канального (рисунок 5). При этом увеличение обратного смещения подложки от |V_BS| = 0 до |V_BS| = 5В уменьшает спектральную плотность шумов от 4,8 нВ/√Гц до 1,8 нВ/√Гц  на частоте около 100 кГц (рисунок 6).

Рисунок 5 - Зависимость квадрата приведенной к затвору спектральной плотности напряжения шумов от частоты для n- и p-канального МОП-транзистора с W/L=11000/3 при токе стока 1 мА и напряжении исток-подложка 5 В

Рисунок 6 - Зависимость квадрата приведенной к затвору спектральной плотности напряжения шумов от частоты для p-канального МОП-транзистора с W/L=11000/3 при токе стока 1 мА и обратном напряжении исток-подложка 0 и 5 В

Подобное преимущество p-МОП-транзистора по сравнению с n-МОП экспериментально установлено для большинства промышленных технологий. Кроме того, выявлено, что уровень фликер-шума и избыточного белого шума МОП-транзисторов зависит от особенностей конструкции и технологических процессов, применяемых для формирования транзисторов. Несмотря на указанное, до получения экспериментальных данных, описывающих шумы транзисторов выбранного технологического маршрута, при разработке аналоговых компонентов СБИС можно рекомендовать применение результатов измерений МОП-транзисторов, сформированных по промышленной технологии изготовления микросхем с минимальным размером элементов 0,25 мкм (0,25 мкм МОП-транзисторов). Особенностями типовой структуры таких транзисторов являются:

• толщина подзатворного окисла — 5,5 нм;

• отдельное формирование карманов для n-МОП- и p-МОП-транзисторов и изоляция элементов с помощью канавок;

• применение силицида Ti на поликремниевых затворах и полупроводниковых областях.

Измерения уровня шумов было выполнено для области насыщения ВАХ в режиме слабой (I_D = 30 мкА), средней  (I_D = 500 мкА) и сильной инверсии (I_D = 20 мА) для транзисторов, ширина затвора которых составляла W = 2000 мкм, а длина выбиралась из ряда L = 0,36; 0,5; 0,64; 0,78; 1,2  мкм.

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента фликер-шума K_FP,N от длины затора L для 0,25 мкм МОП-транзисторов

Рисунок 8 - Зависимость фактора избыточного белого шума Г от длины затора L для 0,25 мкм МОП-тран­зисторов (Г учитывает шум сопротивления затвора и подложки)

Рисунок 9 - Зависимость фактора избыточного белого шума Г от длины затора L для 0,25 мкм МОП-транзисторов (из результатов измерений удален шум подложки)

Результаты измерений показаны на рисунках 7—9. На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Показатель степени фликер-шума EF изменяется в диапазоне 0,9...0,98 для n-МОП-транзистора и в диапазоне 0,8...0,9 для p-МОП, что близко к идеальному значению.

2. Зависимость коэффициента фликер-шума K_FP,N транзисторов от длины затвора приведена на рисунке 7. Значения для слабой инверсии не показаны, т.к. они очень близки к данным для средней инверсии. Очевидно, что K_FN  > K_FP (нижний индекс N и P указывает тип проводимости канала), причем величина K_FP,N в режиме сильной инверсии больше, чем в средней, и фликер-шумы n-МОП-транзистора значительно возрастают при малой длине канала.

3. Фактор избыточного белого шума  Г больше для n-МОП-транзистора, чем для p-МОП. Он возрастает при увеличении тока стока, а также имеет тенденцию к росту для короткой длины затвора (рисунок 8). В то же время величина Г в режиме слабой и средней инверсии очень близка к идеальному значению для транзисторов с любой допустимой длиной затвора и типом проводимости канала.

4. На рисунке 9 показан фактор избыточного белого шума без учета шума, вызываемого сопротивлением подложки, что привело к значительному уменьшению величины Г в режиме сильной инверсии по сравнению с данными рисунка 8.

Таким образом, при проектировании малошумящих ИС по МОП-технологии с минимальной проектной нормой 0,25 мкм следует избегать применения короткоканальных n-МОП-транзисторов и выбирать режим работы, соответствующий слабой или средней инверсии. Для сравнения уровня шумов в предложено использовать частоту f_N,P, на которой n-МОП- и p-МОП-транзисторы имеют одинаковую спектральную плотность суммарных шумов.

(39)

(40)

где f_CP — частота излома, на которой равны спектральные плотности напряжения белого и фликер-шумов, а нижний индекс N и P в (39), (40) указывает тип проводимости канала.

Если частота обрабатываемых аналоговым устройством сигналов удовлетворяет условию f > f_N,P, то n-МОП-транзистор имеет лучшие шумовые характеристики, чем p-МОП.

При малой плотности тока, соответствующей или близкой режиму слабой инверсии, крутизна МОП-транзисторов не зависит от типа проводимости канала, размеров затвора и определяется только величиной тока стока. При этом g_MP ≈ g_MN, и частота f_N,Pзначительно возрастает.

В заключение отметим, что для обеспечения высокой крутизны и, следовательно, малого уровня белого шума МОП-транзисторы проектируют с большим отношением W/L, а также уменьшают влияние сопротивлений полупроводниковых областей истока, стока, подложки на уровень суммарного шума с помощью применения вафельной топологии (рисунок 10).

Рисунок 10 - Конструкция малошумящего p-МОП-транзистора микросхемы AMPLEX: а) — топология; б) — соединение областей истока и стока; в) — типовая структура