不同尺寸SiGe HBTs击穿区域噪声参数分析

摘要

首次研究了不同尺寸硅锗异质结双极晶体管在击穿区域的噪声参数。当SiGe hbt的发射极长度缩短时，击穿时的最小噪声系数降低。此外，较窄的发射极宽度也降低了SiGe HBTs在雪崩区域的噪声系数。当发射体长度和宽度较小时，由于击穿机制降低了噪声谱密度，噪声性能降低。不同尺寸的SiGe HBTs在击穿时的噪声性能与实验值吻合较好。分析结果对工作在击穿区域的射频电路有一定的参考价值。

1.介绍

晶体管高频噪声的特性[1，2是射频电路设计的关键，因为晶体管产生的噪声可以决定可检测到的最小信号强度。晶体管的噪声特性取决于器件的几何形状[3.，4］．有一些文献[3.，4，报告SiGe HBTs在正常工作条件下噪声参数的几何相关性。射频电路通常不能在高电场区域工作，因为在击穿时噪声性能会降低。然而，在[所述的压控振荡器(VCOs)的某些应用中，需要高输出功率。5- - - - - -7］．电路设计人员可以提高以上集电极-发射极击穿电压()适用于视讯服务机构[8]来实现高功率微波源。对于这种射频电路在冲击电离区的应用，SiGe HBTs的噪声性能需要考虑，因为击穿机制会产生过量的噪声。在[9，10， SiGe HBTs的噪声参数已经为特征。然而，对于不同尺寸的SiGe HBTs在击穿区域的噪声参数的研究尚未见报道。

我们之前的研究集中在SiGe HBTs的击穿噪声建模[11］．在这项工作中，我们扩展到SiGe HBTs在雪崩区域的噪声参数的器件几何分析。在冲击电离过程中，研究了发射体尺寸对噪声性能的影响。分析了SiGe HBTs在不同尺寸下的增殖因子。对器件尺寸的研究有助于射频电路在击穿区域的应用。

2.方法

SiGe HBTs的噪声参数可以依赖于器件的几何形状[3.，4］．为了扩展正常操作区域的几何分析[3.，4]至适用于大功率压控振荡器应用的击穿机制[5- - - - - -7]，我们的目的是研究雪崩区发射体尺寸与噪声参数的关系。这项工作利用射频测量来获得不同尺寸器件的射频噪声模型，并分析发射器尺寸对击穿时噪声性能的依赖关系。在[3.]，利用直流测量提取其噪声模型的等效电路参数，用于正常工作区域的几何分析。另一方面，对于分解操作，文献[9，10]在固定器件尺寸下，使用直流测量测量雪崩噪声源的特性，如表所示1．

与传统的通过直流测量来表征的方法不同，本文提出的基于射频测量的方法可以进一步揭示射频相位延迟的击穿机理。在文献中[3.，4，他们还将射频测量应用于SiGe HBTs的噪声表征。但是，他们对不同尺寸SiGe HBTs噪声参数的分析只关注表中所示的正常运行状态1．本文首先研究了雪崩区噪声参数对发射体尺寸的依赖关系。本研究中所使用的器件的噪声参数对发射器尺寸的依赖关系如图所示1．类似于(12其中使用了四种不同尺寸的晶体管，四种不同尺寸的发射器(1.7 × 0.2)μ米²(总发射器面积= 1.36μ米²和总发射器外围= 15.2μM)， 1.7 × 0.6μ米²(总发射器面积= 4.08μ米²总发射器外围= 18.4μM)， 10.2 × 0.2μ米²(总发射器面积= 8.16μ米²总发射器外围= 83.2μM)和10.2 × 0.6μ米²(总辐射源面积= 24.48μ米²总发射器外围= 86.4μ为了研究极端条件下的噪声性能，本文选取了同一发射指为4的M)。

设备选择的几何形状是铸造设计套件中允许的最小和最大的情况。发射器手指的数量固定为4。这项工作与[12我们专注于故障时的噪声参数研究。在图1， SiGe HBT噪声模型，用于研究在故障时噪声参数对器件尺寸的依赖关系。虽然等效电路模型可参考[11，为了完整起见，这里给出了每个元素的描述。雪崩噪声源和在击穿网络中，分别用电子随机现象和空穴雪崩倍增机制来描述多余噪声。噪声谱密度为[11］

此外，电子击穿电感和阻力模拟电子的射频雪崩延迟机制。孔洞引起的反向基极电流[13是用雪崩跨导来描述的对应于空穴电导在雪崩网络中。此外,描述了空穴的射频雪崩延迟机制。和分别表示基极-发射极结电容和基极-集电极结电容。为基极-发射极结电阻。与时间常数是跨导。为输出电阻。为本征基电阻。和分别表示基极电流散粒噪声和集电极电流散粒噪声。噪声模型中也考虑了它们的噪声相关性。本文提出的射频噪声模型的等效电路元件和噪声源的确定采用以下程序[14，15]，以配合射频的测量结果。不同之处在于，该射频噪声模型进一步考虑了射频雪崩网络，以研究冲击电离区噪声参数对发射器尺寸的依赖关系。

3.结果与讨论

SiGe HBTs与不同尺寸的发射器是通过台湾半导体制造公司使用0.18制造的μm BiCMOS技术节点。噪声参数包括最小噪声值，最佳源导纳、等效噪声电阻通过ATN NP5B噪声测量系统测量了不同尺寸SiGe HBTs的击穿状态。噪音参数测量的校正程序由该ATN系统在1至18 GHz进行，如[16］．在数据2和3.，比较了SiGe HBTs在不同发射体尺寸下的实测噪声和仿真噪声参数，得到了很好的一致性，验证了所提出的射频噪声模型在不同尺寸下的有效性。

在图2(一个)，当发射极长度固定为1.7时μ米,随发射极宽度的减小而减小μ米至0.2μ此外，SiGe HBTs的等效噪声电阻也随着发射极宽度从0.6减小而减小μ米至0.2μm如图所示2 (b)．在表2时，给出了确定的击穿噪声谱密度。和雪崩噪声的谱密度是由什么引起的和,分别。和散粒噪声的谱密度是由什么引起的和,分别。当发射极长度固定为1.7时μM，谱密度随发射体宽度的减小而减小。较低降低了较窄的发射极宽度SiGe HBT的噪声性能，因此，和变低，如图所示2．此外，当发射极宽度较窄时，信噪比(SNR)增加，如表所示3.由于低上面提到的。高信噪比代表低噪声性能[17］．另一方面，当发射器宽度固定为0.6时μ米,和随发射极长度的减小，信噪比由10.2减小而增大μ米至1.7μ如插图所示2(一个)和2 (b)和表3.由于较短的发射极长度降低了击穿噪声谱密度，如表所示2．的分析和对发射体长度和宽度的依赖表明，较小的发射体尺寸可以降低工作在击穿区域的SiGe hbt的噪声。对此的解释如下。较小的发射极尺寸可以减小器件电流。随着SiGe HBTs基极集电极电流的减小，噪声谱密度降低[18］．因此，噪声性能随着发射器尺寸的减小而降低。大会带来实现最小噪音匹配的困难[19］．较窄的发射极宽度和较短的发射极长度的SiGe hbt具有较小的辐射强度比图中所示的宽宽度和长长度的hbt要大2 (b)．因此，在低噪声射频电路设计中，小尺寸SiGe HBTs似乎是获得最小噪声匹配条件的一种方法。

最优源阻抗Re()如图所示3.用于研究射频电路噪声匹配的最佳源条件的几何依赖性，如[4］．数字3.结果表明，较窄的发射极宽度可以增加Re(）.对此的解释如下。再保险公司()可以与输入处的电阻成正比，因为最佳源阻抗是输入噪声匹配特性[4］．当发射极宽度从0.6下降时μ米至0.2μM，输入处的击穿电阻从98增加到126年固定发射极长度为10.2μm.在输入处看到的更高的击穿电阻提高了Re()，用于较窄的发射器宽度SiGe HBTs。另一方面，当发射器宽度固定为0.6时μm,再保险公司()随发射器长度的减小而增大，如图所示3.由于较短的发射极长度SiGe HBTs具有较高的击穿电阻。击穿抗性从98提高到156年发射极长度由10.2降低μ米至1.7μm.对于不同器件尺寸的最佳源阻抗实部的常规分析集中在正常工作区域[4］．进一步研究了雪崩区最佳源阻抗与器件尺寸的关系。分析表明，较小的发射体尺寸会由于击穿电阻的增加而增加雪崩区域最佳源阻抗的实部，从而影响输入噪声匹配特性。

在不考虑射频雪崩网络的情况下，使用传统噪声模型模拟的结果在碰撞电离区进行了比较，发现不同尺寸的SiGe HBTs有偏差，如图所示2和3.．大的偏差和在传统模型中观察到较长的发射极长度和较宽的发射极宽度尺寸的器件，如表所示4因为如表中所述，大型SiGe HBTs的击穿噪声谱密度更明显2．相反,获得和从我们的射频噪声模型，接近计算值。此外，提取的击穿噪声谱密度与(1)用于不同大小的SiGe HBTs。

4.结论

本文首次研究了雪崩区SiGe HBTs的噪声参数与器件几何形状的关系。SiGe HBT击穿时的最小噪声系数随发射极长度的减小而减小。此外，较窄的发射极宽度降低了雪崩区域的噪声系数。随着器件尺寸的减小，击穿时的噪声降低，这是由于较小器件的击穿噪声谱密度较低，电流较低。实验结果与仿真结果吻合较好。对器件尺寸的研究有助于射频电路在击穿区域的应用。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

致谢

作者要感谢台湾新竹国家芯片实施中心(CIC)对芯片的支持，台湾半导体制造公司(TSMC)对芯片的制造，台湾新竹国家纳米器件实验室(NDL)对高频噪声测量的支持，及台湾高雄无线通讯天线研究中心，以获得支援。

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