自MOSFET器件诞生以来,对器件进行物理建模一直是器件研究的主要内容之一。器件模型是电路设计的基础,利用器件模型可以在软件层面对电路进行仿真和研究,对电路设计和电路性能的优化提供帮助。因此器件模型的研究须建立在成熟并且大量应用的工艺基础之上,这样的器件模型才对相关的电路设计及仿真具有实际意义。本文研究的器件模型与机理,主要应用于模拟集成电路,目前模拟集成电路的主流工艺处于20nm-40nm级。本文研究的器件模型涉及了90nm-10nm节点工艺,这是目前业界的成熟工艺和大多数电子信息产品所采用的制造工艺。随着集成电路制造工艺的发展,MOSFET器件的尺寸不断减少。由于器件尺寸减小的速度远快于电源电压降低的速度,使短沟道器件里出现了更强的电场,导致器件的短沟道效应变得更加显著,对器件的噪声特性产生影响。器件制造工艺在不断发展,器件模型的研究也需要相应不断发展。本文针对MOSFET器件的沟道横向电场随器件尺寸减小而增强的现象,研究其对器件过量噪声的影响,建立了相应的物理模型,主要的研究工作包括:1.为表征热载流子效应,建立沟道电子温度模型。针对短沟道MOSFET器件,研究在沟道横向电场沿沟道升高的作用下,热载流子效应对器件性能的影响;基于沟道电势方程,结合沟道电场的边界条件,推导出沟道横向电场表达式;通过求解能量平衡方程,建立了电子温度随沟道分布的模型;研究了电子沿沟道升温作用下的迁移率降低效应与电子速度。结果表明:当器件尺寸减小至90纳米以下时,器件尺寸对热载流子效应和迁移率降低效应的影响超过偏置电压对二者的影响;热载流子效应与迁移率降低效应随器件尺寸的减小而增加,电子速度显著升高。2.研究了随着器件尺寸持续减小,沟道横向电场、热载流子效应以及迁移率降低效应对热噪声的影响。分析了在横向电场与电子温度沿沟道升高的作用下,短沟道效应对过量噪声的影响。研究结果表明:随着器件尺寸减小,热载流子效应对热噪声的影响增大;当MOSFET器件尺寸减小,热载流子效应对热噪声的增长作用超过了迁移率降低效应对热噪声的减小作用,导致热噪声增大,成为器件出现过量噪声的主要因素;热载流子效应对沟道热噪声的影响随偏置电压的增加而显著增大。建立了短沟道MOSFET器件的沟道热噪声模型。相比已有的器件模型,新模型更为准确地表征了90nm及以下短沟道MOSFET器件的沟道热噪声。3.随着器件尺寸减小至40nm以下,MOSFET器件出现了散粒噪声,并与热噪声一起成为器件出现过量噪声的共同因素。为表征电子温度沿沟道升高和迁移率降低效应对漏源电流的影响,基于所建立的电子速度模型,结合电流密度表达式与Pao-Sah模型,建立漏源电流模型。并基于漏源电流模型建立了适用于40nm以下器件的散粒噪声模型和热噪声模型。通过研究短沟道NMOSFET器件噪声机理随器件尺寸减小的变化,分析了散粒噪声对过量噪声的影响,给出了热噪声与散粒噪声随器件尺寸减小的变化关系,修正了现有的散粒噪声抑制因子。分析研究表明:已有的热噪声模型与散粒噪声模型的精度随器件尺寸减小而降低,导致相应的散粒噪声抑制因子被高估。散粒噪声对器件过量噪声的作用随器件尺寸减小而增大。当NMOSFET器件的尺寸减小至10nm时,器件的噪声应由热噪声过渡到热噪声与受抑制的散粒噪声共同表征。本文的研究结论可应用于90nm以下、特别是40nm-10nm节点工艺的短沟道MOSFET器件的热噪声分析及相关低噪声电路的设计、优化及仿真。