[论文解读] Bias-dependent intrinsic RF thermal noise modeling and characterization of single layer graphene FETs

Nikolaos Mavredakis, Aníbal Pacheco-Sánchez+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2021

Graphene research and applications参考文献 46被引用 9

一句话总结

本文提出了一种用于短沟道单层石墨烯场效应晶体管中固有射频热噪声的物理紧凑模型，考虑了偏置依赖性、速度饱和效应以及石墨烯的简并特性。该模型在无需拟合参数的情况下，准确预测了实验测得的漏极电流噪声功率谱密度（SID）、附加噪声因子γ以及固有噪声电阻RnINT，覆盖了广泛的漏极电流范围，揭示了在高载流子密度下噪声趋于饱和的规律，并表明若忽略速度饱和效应，γ将被低估约30%。

ABSTRACT

In this article, the bias-dependence of intrinsic channel thermal noise of single-layer graphene field-effect transistors (GFETs) is thoroughly investigated by experimental observations and compact modeling. The findings indicate an increase of the specific noise as drain current increases whereas a saturation trend is observed at very high carrier density regime. Besides, short-channel effects like velocity saturation also result in an increment of noise at higher electric fields. The main goal of this work is to propose a physics-based compact model that accounts for and accurately predicts the above experimental observations in short-channel GFETs. In contrast to long-channel MOSFET based models adopted previously to describe thermal noise in graphene devices without considering the degenerate nature of graphene, in this work a model for short-channel GFETs embracing the 2D materials underlying physics and including a bias dependency is presented. The implemented model is validated with de-embedded high frequency data from two short-channel devices at Quasi-Static region of operation. The model precisely describes the experimental data for a wide range of low to high drain current values without the need of any fitting parameter. Moreover, the consideration of the degenerate nature of graphene reveals a significant decrease of noise in comparison with the non degenerate case and the model accurately captures this behavior. This work can also be of outmost significance from circuit designers aspect, since noise excess factor, a very important figure of merit for RF circuits implementation, is defined and characterized for the first time in graphene transistors.

研究动机与目标

• 开发一种用于短沟道石墨烯场效应晶体管中固有沟道热噪声的物理紧凑模型，以考虑偏置依赖性和短沟道效应。
• 将石墨烯的简并特性（显著影响噪声行为）纳入噪声模型。
• 利用两组短沟道GFET的去嵌入高频S参数和噪声数据，对模型进行验证。
• 首次定义并表征石墨烯晶体管中的附加噪声因子γ，这是射频电路设计中的关键性能指标。
• 展示该模型在低至高漏极电流工作区范围内均具有高精度，且无需任何拟合参数。

提出的方法

• 基于石墨烯场效应晶体管的化学势表述，推导出一种考虑二维载流子输运和速度饱和效应的漏极电流噪声功率谱密度（SID）紧凑解析模型。
• 提出一种偏置依赖的噪声功率谱密度（PSD）公式，以考虑石墨烯的简并区域（电子密度高，费米能级接近狄拉克点）的特性。
• 采用准静态（QS）近似，将固有热噪声的频率无关性解耦，从而可与低频噪声测量结果直接比较。
• 应用去嵌入技术，从测量的S参数中提取本征Y参数和噪声数据，确保模型验证的准确性。
• 通过跨导和导纳参数，从实际噪声与最小可能噪声（热噪声）的比值推导出附加噪声因子γ。
• 利用两组Al2O3栅、化学气相沉积生长的单层GFET（沟道长度分别为200 nm和300 nm）的实验数据对模型进行验证，覆盖多种VGS和VDS条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 短沟道石墨烯场效应晶体管中的固有热噪声如何随偏置变化，特别是在漏极电流和载流子密度增加时？
• RQ2 短沟道GFET中的速度饱和效应对高电场下热噪声增加的影响程度如何？
• RQ3 石墨烯的简并特性（高载流子密度）与非简并模型相比，对固有沟道噪声有何影响？
• RQ4 能否通过一种物理紧凑模型，在无需拟合参数的情况下，准确预测SID、γ和RnINT在广泛偏置条件下的表现？
• RQ5 石墨烯FET中的附加噪声因子γ的行为特征是什么？与传统MOSFET模型相比有何差异？

主要发现

• 固有漏极电流噪声功率谱密度（SID）随漏极电流增加而上升，并在高载流子密度下表现出类似饱和的趋势，与CMOS器件中的观测结果一致。
• 在高漏极电流下（例如EG5约为1.8 mA，EG8约为1.4 mA），附加噪声因子γ达到3至4的水平，表明在射频频段存在显著的噪声过量。
• 模型表明，若忽略速度饱和效应，将导致附加噪声因子γ被低估约30%，凸显了考虑短沟道效应的重要性。
• 在强p型区域，固有噪声电阻RnINT升高，与模型预测和实验数据一致。
• 沟道长度最短的器件（EG5，L=200 nm）表现出比更长器件（EG8，L=300 nm）更高的噪声，且模型准确捕捉了这一尺寸缩放行为。
• 该模型在所有测试偏置点上与实验数据完全吻合，无需任何拟合参数，证实了其物理一致性与预测能力。