Statistical charge-based modeling of 1/f noise in standard and high-voltage MOS transistors

Abstract

Στις μέρες μας, οι εφαρμογές αναλογικών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ υψηλών συχνοτήτων (RFIC) σχεδιάζονται αποκλειστικά με τεχνολογία CMOS. Εκτός από τη συμβατική CMOS τεχνολογία, η HV-MOS τεχνολογία χρησιμοποιείται επίσης ευρέως σε συγκεκριμένες εφαρμογές όπως στη βιομηχανία αυτοκινήτων, σε επιστημονικές και ιατρικές εφαρμογές και σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Η απόδοση τόσο της CMOS όσο και της HVMOS σχεδίασης μπορεί να περιοριστεί από το θόρυβο χαμηλών συχνοτήτων (LFN) που γίνεται ιδιαίτερα σημαντικός σε σύγχρονες τεχνολογίες μιας και είναι αντιστρόφως ανάλογος με το μήκος του καναλιού. Η μέση τιμή και η μεταβλητότητα του θορύβου χαμηλών συχνοτήτων είναι εξαρτώμενες τόσο από την επιφάνεια όσο και από τις συνθήκες πόλωσης του τρανζίστορ. Η μεταβλητότητα αυξάνει όσο οι διαστάσεις της διάταξης μειώνονται ενώ παρόμοια συμπεριφορά παρουσιάζει και η μέση τιμή του θορύβου. Η ίδια συμπεριφορά μπορεί να παρατηρηθεί όσον αφορά την εξάρτηση της μεταβλητότητας του 1/f θορύβου από την πόλωση. Ο 1/f θόρυβος στα HV- MOSFETs αναμένεται να δημιουργείται από τις ίδιες αιτίες όπως και στα συμβατικά MOSFETs μιας και οι ίδιες αρχές λειτουργίας διέπουν και τα δύο είδη αυτών των MOS διατάξεων εξαιτίας της ύπαρξης της διεπαφής οξειδίου. Tο βασικό ερώτημα ήταν αν κάποιο παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται στην drift περιοχή. Η ανάλυση μας έδειξε ότι η επέκταση του οξιδίου της πύλης στην επιφάνεια της drift περιοχής, μπορεί να προκαλέσει 1/f θόρυβο. Εξαιτίας της σημαντικής επίδρασης του LFN σε προηγμένη σχεδίαση αναλογικών και RF κυκλωμάτων, η χρήση σωστών, βασισμένων στη φυσική, συμπαγών μοντέλων τόσο για τη μέση τιμή όσο και για την στατιστική συμπεριφορά του LFN έχει γίνει αναγκαία για τις ανάγκες προσομοίωσης θορύβου. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής, ένα συμπαγές, βασισμένο στα φορτία, μοντέλο τόσο για τη μέση τιμή όσο και για την μεταβλητότητα του 1/f θορύβου αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε τόσο για τη συμβατική CMOS τεχνολογία όσο και για την HV-MOS τεχνολογία για πρώτη φορά.