SiGe HBT射频噪声模型研究

辛金锋， 王 军

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010）

0 引言

对 SiGe HBT器件的内部噪声源进行精确建模是应用它进行电路设计的基础。迄今为止，能在射频微波频率范围内较精确地模拟 SiGe HBT的基极电流和集电极电流噪声的模型有van Vliet模型[1]和transport模型[2]。它们都建立在对基极少数载流子的输入非准静态效应进行建模的基础之上，而对现代的双极型晶体管而言，载流子在基极和集电极的空间电荷区传输延迟可比基极渡越时间，甚至要大于后者。因此为了更精确的模拟晶体管的高频噪声特性，需要在晶体管高频噪声模型中加入基极集电极空间电荷区传输延迟效应。

1 扩展的van Vliet模型和transport模型

根据基本的器件物理，当双极型晶体管的基极和发射极之间的电压发生变化时，基极的少数载流子会向发射极和集电极传输并被接收，这就是电荷分区的基本概念[3]。该物理过程可通过集电极转移电流和传输到发射结及集电结的基区电荷进行模拟，进而被用于双极型晶体管的简单模型之中。因为载流子运动的速率有限以及准中性层的分散性，所以转移电流和分区电荷都是非准静态的。我们把基极电荷的这种非准静态效应称作输入非准静态效应[4]。van Vliet KM通过晶体管的Y参数对基极和集电极电流噪声进行建模，从而建立了包含输入非准静态效应的van Vliet噪声模型。

然而，该模型没有考虑载流子在基极集电极空间电荷区的传输延迟，而对现代的双极型晶体管而言，该延迟对晶体管的噪声性能的影响较大[5]。Kejun Xia，Guofu Niu等人已经对van Vliet模型进行了扩展，如下所示[6]：

其中，τc是载流子通过基极集电极空间电荷区的延迟时间。当时，上面的近似关系成立。

van vliet模型对噪声源的建模依赖于本征晶体管Y参数的提取，原则上不需要用到任何精确的噪声模型参数，这是该模型的主要优势。然而，实验测量的Y参数不可避免的要受到寄生元件（如基极寄生电阻）的影响，这也使得非准静态效应下本征晶体管 Y参数的提取非常困难，Y参数提取的精度也就直接影响到噪声模型的精确度[7]。参考文献[6]中，作者根据他们提出的输入非准静态效应模型，用2个和噪声相关的延迟时间对transport噪声模型进行了改进，从而，在没有得到精确的包含输入非准静态效应的晶体管Y参数的情况下，我们也可以对晶体管噪声进行精确建模。

改进之后的transport模型如下：

在原来的transport噪声模型中只用到了一个延迟时间，即这里用2个时间延迟来更精确的模拟噪声性能。

我们基于扩展的van Vliet模型，由晶体管Y参数计算出了基极和集电极的电流噪声以及他们的相关系数，并将得到的基极集电极噪声电流谱Sib、Sic和归一化相关系数绘于图1。另外，为了便于分析比较，由Langevin等式得到的噪声电流解析解[8]以及由扩展的transport噪声模型得到的结果也在图中表示出来。其中叉号表示由Langevin等式得到的噪声电流解析解，实线表示的是又扩展的 van Vliet模型得到的结果，点划线表示由扩展的transport噪声模型得出的结果。

从图中我们可以看到，扩展的van Vliet模型和计算得到的解析值吻合得非常好，由扩展的transport模型可以得到精确的Sib和以及较好的 Re(c)和Sic。

图1 基极和集电极电流噪声功率谱及其归一化相关系数c

2 结语

[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]杨维明,陈建新,史辰,等.基于小信号等效电路模型的SiGe HBT高频特性模拟分析[J].微电子学,2005,35(01)：1-4.

[4]钮维,王军. SiGe HBT高频噪声等效模型研究[J].通信技术,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.