MOSFETにおける1/fノイズのばらつきに関して調査を行い、 SPICEシミ ュレータ用のゲート電圧に応じた1/fノイズばらつきのモデリングを行った。
モデリングに関しては，Vgsによるノイズばらつきなので、Vgsに関係する物 理式から考えた。一般的にMOSFETのキャリア移動度は，Vgsに大きく依存す ることが分かっている。そこで、移動度の変動をもとにしたHoogeのモデルをも とにモデリングを行った。
モデリングの結果を元にシミュレーションツールを用いて，1/fノイズのば らつきについてシミュレーションを行った。結果、α!は Hoogeの Mobility Fluctuationモデルの範囲内に収まった。
モデリング及びシミュレーションの結果，1/fノイズばらつきを表現することが できた。よってMOSFETのゲート電圧による1/ｆノイズばらつきモデルを作成 することができた。
VCO 回路における位相雑音特性の重要性及び実際の回路動作としてどの様に 劣化により影響があるのかを示した。
実際にTEGをデザイン・作成し、測定を行った。その結果を元にSPECTRE を用いて VCO 回路での動作を検証した.結果としては実際に劣化し、ノイズ
が 10[dB]程度大きくなっていた。デバイスの劣化によりどの程度のノイズが
大きくなるかが分かるという事はアナログ回路設計においてノイズの劣化考 慮する事ができる。つまり、製品の経年劣化の改善に繋がる重要な特性であ る。n-MOSFET を用いた VCO 回路構成による位相雑音についてシミュレー ションを行い、位相雑音の小さい回路構成が検証できた。
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謝辞
本研究は主に群馬大学客員教授の青木均先生にご指導を賜りました。青木 均先生にはMOSFET の物理モデルや回路シミュレータSPICEの構造、更に
そのPISCEに用いられるモデルパラメータについて熱心にご指導して頂きま
した。深く感謝致します。特に、1/fノイズ劣化モデリングのアプリケーショ ン開発として発振回路の位相ノイズを解析するシミュレーション環境を構築 するにあたり、進捗状況が悪い際にも常に適切なアドバイスをして頂き、正 しい方向付けをして頂きました。ここに感謝致します。また、このようなモ デリングの研究をする機会を与えて頂きました群馬大学大学院小林春夫教授 に深く感謝致します。研究成果は、築地伸和さん、安部文隆さん、新井薫子 さん、ハタミ・ラミン君、香積正基君、戸塚拓也君、東野将史君とともに研 究した成果です。また、MOSFET の1/fノイズ測定のための TEG開発は小林 研究室の平林大樹さん、大澤優介君、小林佑太郎君、香積正基君、戸塚拓也 君のご協力により作成されました。ここに感謝します。配慮不足や、期限ギ リギリになって心配をかけてしまう等、多々ご迷惑をおかけすることもあり ましたが、２年間お世話になりました。本当にありがとうございました。小 林春夫教授、青木均先生に心から感謝致します。
参考文献
[1] A. L. McWorther, Semiconductor Surface Physics, University of Pennsylvania Press, Philadelphia,(1957).
[2] F. N. Hooge,1/𝑓Noise Sourses, IEEE Trans. Electron Devices 41, 1926-1935 (1994)
[3] Mete Ertürk, Tian Xia, and William F. Clark, “Gate Voltage Dependence of MOSFET 1/f Noise Statistics,” IEEE Electron Device Letters, vol. 28, no. 9, 812-814 (Sept. 2007)
[4] X. Li, C. Barros, E. P. Vandamme, and L. K. J. Vandamme, "Parameter Extraction and 1/f Noise in a Surface and Bulk-type, p-channel LDD MOSFET, Solid-State Electron. 37, 1853-1862, (1994).
[5] Michael Kraemer,Daniela Dragomirescu,Robert Plana,” A High Efficiency Differential 60 GHz VCO in a 65 nm CMOS Technol-ogy for WSN Applications” Microwave and Wireless Components Letters, IEEE (Volume:21,Issue:6 )
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本研究に関する成果
【学会論文】
[1] 轟俊一郎, 安部文隆, ハタミラミン, 新井薫子, 香積正基,戸塚拓也, 青木
均, 小林春夫 「n チャネル MOSFET のゲート電圧による 1/f ノイズば
らつきモデルの検 討 」 電 気 学 会 電 子 回 路 研 究 会 ECT-14-010 金 沢 (2014 年 1 月 23 日)
[2] 轟 俊 一 郎, 安 部 文 隆, KhatamiRamin, 新 井 薫 子, 香 積 正 基, 戸 塚 拓 也,
青木均, 小林 春夫 「N チャネル MOSFET のゲート電圧による 1/f ノ
イズばらつきモデルについての検討」 ETT-14-56, ETG-14-56、電気学会 栃木・群馬支所合同研究会、桐生 (2014 年 3 月)
[3] 轟俊一郎, 青木均, 安部文隆, 新井薫子, KhatamiRamin, 香積正基, 戸塚拓也, 小林春夫, 東野将史「VCOにおける位相雑音信頼性シミュレ ーションについての研究」第５回電気学会 栃木・群馬支所合同研究会、
宇都宮(2015年 3月)
[4] Y. Arai, H. Aoki, F. Abe, S. Todoroki, R. Khatami, M. Kazumi, T.
Totsuka, T. Wang, H. Kobayashi, “Gate Voltage Dependent 1/f Noise Variance Model Based on Physical Noise Generation Mechanisms in n-Channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors”, Japanese Journal of Applied Physics (accepted).
[5] Y. Arai, H. Aoki, F. Abe, S. Todoroki, R. Khatami, M. Kazumi, T.
Totsuka, T. Wang and H. Kobayashi, “Research on Gate Voltage Dependent 1/f Noise Variance Modeling for n-Channel MOSFETs”, 1st International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 6th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering (Dec. 5, 2014), Kiryu City Performing Art Center
[6] T. Totsuka, H. Aoki, F. Abe, K. Ramin, Y. Arai,S. Todoroki, M. Kazumi, W. Taifeng and H. Kobayashi, “Reliability Modeling on 90 nm n-channel MOSFETs with BSIM4 Dedicated to HCI Mechanisms”, 1st International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 6th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering (Dec. 5, 2014), Kiryu City Performing Art Center
[7] M. Kazumi, H. Aoki, Y. Arai, S. Todoroki, R. Khatami, T. Totsuka, F.
Abe and H. Kobayashi, “Research on Precision IGBT Macro-Model Considering Operation Temperature”, 1st International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 6th International
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Conference on Advanced Micro-Device Engineering (Dec. 5, 2014), Kiryu City Performing Art Center
[8] S. Todoroki, H. Aoki, F. Abe, K. Ramin, Y. Arai, M. Kazumi, T. Totsuka, and H. Kobayashi, “Phase Noise Performance Analysis of VCO Circuits”, 1st International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 6th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering (Dec. 5, 2014), Kiryu City Performing Art Center
[9] Y. Arai, H. Aoki, F. Abe, S. Todoroki, R. Khatami, M. Kazumi, T.
Totsuka, T. Wang, H. Kobayashi, “Gate Voltage Dependent 1/f Noise Variance Model in n-Channel MOSFETs”, International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2014) , Poster Session, Tsukuba (Sept. 8-11, 2014)Extended Abstracts
[10] T. Totsuka, H. Aoki, F. Abe, R. Khatami, Y. Arai, S. Todoroki, M.
Kazumi, H. Kobayashi, “BSIM4 Modeling of 90nm n-MOSFET Characteristics Degradation Due to Hot Electron” The 3rd Solid State Systems Symposium-VLSIs and Semiconductor Related Technologies &
The 17th International Conference on Analog VLSI Circuits, Ho Chi Minh City, Vietnam (Oct. 22-24, 2014)
[11] M. Kazumi, H. Aoki, Y. Arai, R. Khatami, S. Todoroki, T. Totsuka, F.
Abe, H. Kobayashi, “Study of High Precision IGBT Macro-Model Considering Temperature Dependency”, The 3rd Solid State Systems Symposium-VLSIs and Semiconductor Related Technologies & The 17th International Conference on Analog VLSI Circuits, Ho Chi Minh City, Vietnam (Oct. 22-24, 2014)
[12] 新井薫子、青木均、轟俊一郎、香積正基、戸塚拓也、東野将史、安部文隆、
小林春夫「NチャネルMOSFETのノイズ発生理論に基づくゲート電圧依 存 1/fノイズばらつきモデルの検討」第 5回 電気学会 東京支部 栃木・群 馬支所 合同研究発表会（2015年3月 2日）
[13] 香積正基、青木均、新井薫子、Khatami Ramin、 轟俊一郎、戸塚拓也、
安部文隆、小林春夫「IGBT の静特性における複数のプロセス・デバイス 特性を考慮した高精度マクロモデルの研究」電気学会 電子回路研究会、
秋田（2014年 10月 9日、10日）
[14] 戸塚拓也、 青木均、 安部文隆、 Khatami Ramin、 新井薫子、 轟俊一
郎、香積正基、 王太峰、 小林春夫 「BSIM4 による 90nm n-channel
MOSFET の Hot Electron の劣化特性モデル化に関する研究」電気学会