SiGe HBT射頻噪聲模型研究

辛金鋒， 王 軍

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621010）

0 引言

對 SiGe HBT器件的內部噪聲源進行精確建模是應用它進行電路設計的基礎。迄今為止，能在射頻微波頻率范圍內較精確地模擬 SiGe HBT的基極電流和集電極電流噪聲的模型有van Vliet模型[1]和transport模型[2]。它們都建立在對基極少數載流子的輸入非準靜態效應進行建模的基礎之上，而對現代的雙極型晶體管而言，載流子在基極和集電極的空間電荷區傳輸延遲可比基極渡越時間，甚至要大于后者。因此為了更精確的模擬晶體管的高頻噪聲特性，需要在晶體管高頻噪聲模型中加入基極集電極空間電荷區傳輸延遲效應。

1 擴展的van Vliet模型和transport模型

根據基本的器件物理，當雙極型晶體管的基極和發射極之間的電壓發生變化時，基極的少數載流子會向發射極和集電極傳輸并被接收，這就是電荷分區的基本概念[3]。該物理過程可通過集電極轉移電流和傳輸到發射結及集電結的基區電荷進行模擬，進而被用于雙極型晶體管的簡單模型之中。因為載流子運動的速率有限以及準中性層的分散性，所以轉移電流和分區電荷都是非準靜態的。我們把基極電荷的這種非準靜態效應稱作輸入非準靜態效應[4]。van Vliet KM通過晶體管的Y參數對基極和集電極電流噪聲進行建模，從而建立了包含輸入非準靜態效應的van Vliet噪聲模型。

然而，該模型沒有考慮載流子在基極集電極空間電荷區的傳輸延遲，而對現代的雙極型晶體管而言，該延遲對晶體管的噪聲性能的影響較大[5]。Kejun Xia，Guofu Niu等人已經對van Vliet模型進行了擴展，如下所示[6]：

其中，τc是載流子通過基極集電極空間電荷區的延遲時間。當時，上面的近似關系成立。

van vliet模型對噪聲源的建模依賴于本征晶體管Y參數的提取，原則上不需要用到任何精確的噪聲模型參數，這是該模型的主要優勢。然而，實驗測量的Y參數不可避免的要受到寄生元件（如基極寄生電阻）的影響，這也使得非準靜態效應下本征晶體管 Y參數的提取非常困難，Y參數提取的精度也就直接影響到噪聲模型的精確度[7]。參考文獻[6]中，作者根據他們提出的輸入非準靜態效應模型，用2個和噪聲相關的延遲時間對transport噪聲模型進行了改進，從而，在沒有得到精確的包含輸入非準靜態效應的晶體管Y參數的情況下，我們也可以對晶體管噪聲進行精確建模。

改進之后的transport模型如下：

在原來的transport噪聲模型中只用到了一個延遲時間，即這里用2個時間延遲來更精確的模擬噪聲性能。

我們基于擴展的van Vliet模型，由晶體管Y參數計算出了基極和集電極的電流噪聲以及他們的相關系數，并將得到的基極集電極噪聲電流譜Sib、Sic和歸一化相關系數繪于圖1。另外，為了便于分析比較，由Langevin等式得到的噪聲電流解析解[8]以及由擴展的transport噪聲模型得到的結果也在圖中表示出來。其中叉號表示由Langevin等式得到的噪聲電流解析解，實線表示的是又擴展的 van Vliet模型得到的結果，點劃線表示由擴展的transport噪聲模型得出的結果。

從圖中我們可以看到，擴展的van Vliet模型和計算得到的解析值吻合得非常好，由擴展的transport模型可以得到精確的Sib和以及較好的 Re(c)和Sic。

圖1 基極和集電極電流噪聲功率譜及其歸一化相關系數c

2 結語

[1]VAN Vliet KM. General Transport Theory of Noise in pn Junction-like Devices-I. Three-dimensional Green’s Function Formulation[J]. Solid State Electron,1972(15):1033-53.

[2]NIU G, CRESSLER JD, ZHANG S, et al. A Unified Approach to RF and Microwave Noise Parameter Modeling in Bipolar Transistors[J]. IEEE Trans Electron Dev, 2001,48(11):2568-2574.

[3]楊維明,陳建新,史辰,等.基于小信號等效電路模型的SiGe HBT高頻特性模擬分析[J].微電子學,2005,35(01)：1-4.

[4]鈕維,王軍. SiGe HBT高頻噪聲等效模型研究[J].通信技術,2010,43（12）:180-183.

[5]XIA K, NIU G, SHERIDAN D, et al. Frequency and Bias-dependent Modeling of Correlated base and Collector Current RF Noise in SiGe HBTs Using Quasi-static Equivalent Circuit[J]. IEEE Trans Electron Dev, 2006,53(03):515-522.

[6]XIA K, NIU G, SHERIDAN D, et al. Input Non-quasi Static Effect on Small Signal Parameter Extraction and Noise Modeling for SiGe HBTs[J]. In: Proceedings of the IEEE BCTM. 2005:180-183.

[7]RUDOLPH M, DOERNER R, KLAPPROTH L, et al. An HBT Noise Model Valid up to Transit Frequency[J]. IEEE Electron Dev Lett,1999,20(01):24-26.

[8]XIA K, NIU G. Modeling the Input Non-quasi-static Effect in Small Signal Equivalent Circuit based on Charge Partitioning for Bipolar Transistors and its Impact on RF Noise Modeling[J].Solid State Electron,2010(54):1566-1571.