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功率器件技术 ★ 5.0

先进动态耗尽型SOI MOSFET中洛伦兹噪声现象的表征、理解与建模

Characterization, Understanding, and Modeling of Lorentzian Noise Phenomenon in Advanced Dynamically Depleted SOI MOSFET

作者 Haobo Huang · Tianye Yu · Yudi Zhao · Guangxi Hu · Shisheng Xiong · Ye Lu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年8月
技术分类 功率器件技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 动态耗尽SOI MOSFET 电流噪声功率谱密度 洛伦兹噪声 噪声模型 集成电路设计
语言:

中文摘要

本研究对先进动态耗尽(DD)绝缘体上硅(SOI)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的电流噪声功率谱密度(PSD)进行了表征。通过比较体接触(BC)模式和浮体(FB)模式下的功率谱密度,研究了体接触模式下类似洛伦兹型的过量噪声。通过分析各种洛伦兹噪声的物理机制并采用核密度估计(KDE)方法,发现这一独特的噪声现象主要归因于硅膜中陷阱的物理位置,以及不同器件工作模式下各种偏置电压下能态的填充水平。为对这一观测到的现象进行建模,开发了一个基于物理的解析体电势模型,然后基于该体电势建立了一个新的基于陷阱的类似洛伦兹型噪声模型。该模型与多组不同器件几何尺寸的测量数据吻合良好,验证了所提出的机制。此外,将新的噪声模型集成到标准紧凑模型(如 BSIM - SOI - 100)中进行电路级分析,以提供准确的噪声特性。这项工作为未来基于 SOI 技术平台的集成电路设计中的精确噪声仿真铺平了道路。

English Abstract

In this work, the current noise power spectral density (PSD) of advanced dynamically depleted (DD) silicon on insulator (SOI) MOSFETs have been characterized. By comparing the PSD in body contact (BC) mode with that in floating body (FB) mode, the excessive Lorentzian-like noise in BC mode is investigated. Through analyzing the physical mechanisms of various Lorentzian noises and using kernel density estimation (KDE) method, this distinctive noise phenomenon is mainly attributing of the physical locations of traps in the silicon film, as well as the filling levels of the energy states under various bias voltages in different device operating modes. To model this observed phenomenon, a physics-based analytical body potential model is developed, and then a new trap-based Lorentzian-like noise model is built based on the body potential. The model agrees well with multiple sets of measured data for various device geometries, validating the proposed mechanisms. Furthermore, the new noise model is integrated into the standard compact model (e.g., BSIM-SOI-100) for circuit-level analysis to provide accurate noise characteristics. This work paves the way for accurate noise simulations in future integrated circuit designs on the SOI technology platform.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于SOI MOSFET器件噪声特性的研究具有重要的应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率半导体器件的噪声特性直接影响系统的电能质量、电磁兼容性能和控制精度。

该研究针对先进动态耗尽型SOI MOSFET的洛伦兹噪声现象建立了基于物理机制的精确模型,这对我们的产品开发具有三方面价值:首先,在高频开关电源设计中,准确的噪声模型能够帮助优化控制算法,降低谐波失真,提升逆变器的转换效率和输出电能质量;其次,SOI技术相比传统体硅工艺具有更低的寄生电容和更好的高温特性,这与我们产品面临的高功率密度、宽温度范围应用场景高度契合;第三,该模型已集成到BSIM-SOI标准紧凑模型中,可直接用于电路级仿真,缩短产品开发周期。

从技术成熟度评估,SOI技术在消费电子领域已较为成熟,但在大功率应用中仍处于发展阶段。对阳光电源而言,主要挑战在于:一是SOI器件的成本仍高于传统硅基器件,需要在性能提升与成本控制间寻求平衡;二是该噪声模型主要针对小信号特性,在大功率、高电压应用场景下的适用性需要进一步验证。

机遇方面,随着新能源系统向高频化、高功率密度方向发展,以及储能系统对快速响应和精确控制的要求提升,掌握先进半导体器件的噪声特性将成为差异化竞争优势。建议跟踪SOI功率器件的发展动态,在下一代高端逆变器和储能变流器中进行应用探索。