（材料物理与化学专业论文）基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用.pdf

摘要 摘要 光电耦合器以其体积小、寿命长、无机械触点、抗干扰性强等优点被广泛应 用于军事和航天领域，其噪声与器件的内部缺陷密切相关，已经成为影响器件可 靠性，甚至器件功能的一个主要因素。光电耦合器的低频噪声通常表现为1 f 噪声 和g - r 噪声的叠加，随着偏置条件的变化，可在很大的频率范围内观测到g - r 噪声。 在时域内，g - f 噪声表现为大幅度的“台阶，波形，严重影响器件的工作特性。更重 要的是g - r 噪声的出现反映了器件内部的潜在缺陷，通常认为重金属杂质和位错等 在半导体器件禁带中引入的深能级是g - r 噪声的主要来源。对光电耦合器噪声的研 究有助于检测该类器件各种缺陷的特性，尤其是潜在缺陷对器件性能的影响。因 而测量低频噪声( 1 f 噪声和g - r 噪声) 已经成为表征光电耦合器内部缺陷及其可 靠性的一种重要手段。 本文在详细分析光电耦合器低频噪声的基础上，研究了噪声用于光电耦合器 可靠性筛选的方法。爆裂噪声可以严重地影响光耦器件的可靠性，爆裂噪声可以 作为光电耦合器件噪声筛选的物理判据。通过对光耦器件噪声高斯性分析，在现 有光耦器件噪声筛选统计判据的基础上，探讨了光耦器件筛选物理判据及其应用。 物理判据具有比统计判据更多的优越性，而不需要大样本的样品。为多种不同型 号的光电耦合器件测试搭建了测试电路，完成了各种型号的光电耦合器件低频噪 声测试和筛选实验，验证了这个方法的可行性和有效性。 关键词：光电耦合器件；低频噪声：物理判据；高阶统计量 a b s t r a c t t h eo p t o c o a p l e r , w h i c hh a sm e r i t so fs m a l lv o l u m e ，l o n gl i f e ，t h en o n - m e c h a n i c a l e l e c t r o n i cc o n t a c t , t h es t r o n ga n t i - j a m m i n ga n ds oo n ，i sw i d e l ya p p l i e dt ot h em i l i t a r y a n dt h ea s t r o n a u t i c sd o m a i n t h en o i s eh a st h ec l o s er e l a t i o n sw i t ht h eo p t o c o u p l e r i n t e r i o rd e f e c t s ，a n di t i sai m p o r t a n tf a c t o ri nt h eo p t o c o u p l e rr e l i a b i l i t y , e v e nd e v i c e f u n c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h en o i s eu s e si nt h eo p t o c o u p l e rr e l i a b i l i t ya p p r a i s a l m e t h o db a s e do nt h el o w - f i e 咀u e n c yn o i s e b u r s tn o i s es e v e r e l yi n f l u e n c eo p t o c o u p l e r s r e l i a b i l i t y b u r s tn o i s ew a s u s e da sp h y s i c a lc r i t e r i ao fs c r e e n i n go p t o c c o u p l e r s a m e t h o d o fh i g h e ro r d e rs i a t i s t i c sb yu s eo fa n a l y z i n go p t o c o u p l e r s n o i s ew a sp r o p o s e d b a s e d o ns t a t i s t i cc r i t e r i ao fo p t o c o u p l e r s ，p h y s i c a lc r i t e r i ao fs c r e e n i n go p t o c o u p l e r sa n di t s a p p l i c a t i o nw e r es t u d i e d p h y s i c a lc r i t e r i aa r es u p e r i o rt os t a t i s t i cc r i t e r i a , a n dt h e yd o n t n e e dt h el a r g es a m p l e b u r s tn o i s es e v e r e l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t yo fo p t o c o u p l e r s 。b u f s t n o i s ec a nb eu s e da st h ep h y s i c a lc r i t e r i at os c r e e no p t o c o u p l e r s t h et e s tv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d k e yw o r d s ：o p t o c o u p l e r ；l o w f r e q u e n c yn o i s e ；p h y s i c a lc r i t e r i a ；h i g h e ro r d e r s t a t i s t i c s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以乡 ，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ) 习汪 日期 0 。0 6 ，、f 牛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：) 习江 导师签名：奎尘三 日期：兰! ：! ：! ：! 生 日期 弦圣st | tf 第一章绪论 第一章绪论 微电子器件的功能日益强大，器件的集成度不断增大，微电子器件的性能、 质量和可靠性越来越受到人们的高度重视【l 鼻捌。传统的可靠性测试方法以加速寿 命实验为代表，将器件置于高温、高湿、高腐蚀性或高偏置条件下，对器件进行 批量测试，得到其寿命，利用统计方法估计出一批器件的平均寿命。这种方法在 预测器件的长期工作稳定性方面有一定的应用价值。而且，用这种方法预测所褥 的器件寿命一般比器件的实际寿命要小，这样几乎可以保证，在所预测的器件平 均寿命范围内，器件可以可靠地进行工作。但是从加速寿命实验的原理和方法中， 我们可以看出加速寿命实验只能预测整批器件的平均寿命，而不能对一个器件进 行可靠性预测，更不能用来筛选可靠性较高的器件，因为这种实验通常是破坏性 的。 国外对于半导体器件噪声的研究大体上经历了三个阶段。第一个阶段是在 1 9 7 0 年前后，广泛研究了各种噪声的形成机构以及与各种器件参数的关系；第二 个阶段是从7 0 年代中期至踟年代中期，在对器件噪声特性作进一步深入了解的 同时，研制开发了各种低噪声半导体器件，包括分立器件和集成电路；第三个阶 段大约是从1 9 8 5 年开始，利用噪声( 特别是低频噪声) 作为器件微观性质研究、质 量和可靠性评估的手段。截至目前，半导体器件中的噪声仍是一个非常活跃的研 究领域，尚待解决的问题仍然很多。 噪声应用于集成电路和晶体管可靠性评估方面已越来越受到人们的青睐。众 所周知，电子系统的内部噪声是制约其性能、质量和可靠性的关键因素之一。在 各类测试系统中，噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度；在 通信系统中，嗓声的存在影响信号传输的保真度以及接收机的灵敏度；在数字与 计算机系统中，噪声幅度随机变化形成的尖峰会引起误触发，产生伪信号。系统 的噪声主要来自构成系统的电子元器件中的噪声，而半导体有源器件又在其中占 有重要位置。更为重要的是，半导体器件低频噪声的大小敏感地反映着器件内在 质量和可靠性的优劣。以1 ，f 噪声为主的低频噪声广泛地存在于各种组份和结构的 半导体材料和器件中。相比常规电参数，低频噪声对器件内部结构的变化更为敏 感，而这些变化用现有的汉4 试分析手段往往难以表征。在对半导体器件施加应力 的过程中同时监测器件的常规电参数和低频噪声，发现在常规电参数尚未发生变 化时，低频噪声已经有了明显的增加；同时对常规电参数测量都正常的器件，可 靠性高的器件的低频噪声水平比较低；与之相反，可靠性低的器件的低频噪声水 2 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 平往往比前者高几倍。这些现象已被大量的实验所证实，说明这不是个别或者偶 然的现象，而是一种普遍的规律1 6 , 7 ，8 1 。正是由于这些特点，随着低频噪声理论和实 验研究的进一步深入，低频噪声的测量与分析已经成为半导体器件质量表征和可 靠性评估的一种新的手段。随着电子整机向着高度集成化和微系统化发展，半导 体器件的噪声对于整机性能的影响也越来越突出。因此，研究半导体器件中噪声 形成的物理机制以将其用于器件可靠性表征已经成为一个非常重要的课题。 随着信息科学技术的迅速发展，越来越多的新型半导体器件使用在电子仪器 及有关设备上，光电耦合器就是其中之一。光电耦合器是把发光器件和光敏器件 封装在一起，通过光一电转换来实现信号传输的一种器件。由于其具有体积小、 群命长、无触点、抗干扰性强等优点，故可以代替继电器、变压器、斩波器等用 于隔离线路、开关电路、数模转换、长线传输、过流保护、高压控制、电平匹配、 线性放大等众多场合，尤其是军事和航天领域。最近的研究结果表明，光电耦合 器的低频噪声，已经成为影响其可靠性甚至正常工作的一个重要因素1 9 1 0 ，1 l l 。光电 耦合器的低频噪声通常包括热噪声、散粒噪声、g - r 噪声和1 f 噪声，热噪声和散 粒噪声分别为载流子的随机热运动和随机通过势垒而引起的涨落，具有白噪声的 特性，其功率谱不随频率改变。 光电耦合器的低频噪声通常表现为1 f 噪声和g - r 噪声的叠加。随着偏置条 件的变化，可在很大的频率范围内观测到g - r 噪声。在时域内，g - r 噪声表现为大 幅度的“台阶”波形，严重影响器件的工作特性。更重要的是g - r 噪声的出现反 映了器件内部的潜在缺陷，通常认为重金属杂质和位错等在半导体器件禁带中引 入的深能级缺陷是g - r 噪声的主要来源。通过测量g 寸噪声的幅值和特征频率可 以得到反映该类缺陷的两个主要参数：陷阱能级及其复合与发射载流子的时常数。 大量的研究表明，在几乎所有的电子元器件和电子整机中都能观测到1 f 噪声。 l f 噪声是粒子整体运动中的一个普遍涨落现象，同时也是系统内部特性的一个反 映，因而携带丰富的信息。首先l f 噪声的特征表现为功率谱幅值与频率成反比， 因而是低频噪声的主要部分。其次任何与这种反比关系相偏离的j f 噪声均反映 了器件特性的改变，因而测量低频噪声( 1 f 噪声和g - r 噪声) 已经成为表征光电耦合 器内部缺陷及其可靠性的一种重要手段【1 2 1 。 一 光电耦合器大多由g m s 类l e d 和盯光电晶体管构成，通过电一光一电的转化 在电路中完成信号的单向传输。光电耦合器件提供了一种电信号隔离的有效手段， 被广泛地应用于空间和商用系统。在一些高可靠领域，如导航、卫星通讯领域， 光电耦含器件的可靠性性能是一个很重要的课题。恶劣的空间天气可使各种卫星 失效。卫星的作用越大，人们对其依赖越强，卫星一旦发生故障，它造成的损失 越大。实现电子元器件的高可靠性是电子技术发展本身提出来的，电子设备和系 统的复杂程度在不断提高，所用器件数量也在不断增多。根据可靠性理论，组成 第一章绪论 3 系统的元件、零件越多，在元件、零件可靠性指标不变的条件下，则系统的可靠 性越低。空间飞行环境十分恶劣，组成系统的零部件中，电子元器件比较脆弱， 而其使用条件却很苛刻。由于它们在发射及使用过程中要经受各种高低温、潮热、 高低气压、振动冲击、加速度、辐射等环境的影响，所以对半导体器件可靠性的 要求也越来越高。随着光电耦合器件的广泛使用，因此其可靠性问题变得日益重 要。针对一直普遍使用的老化实验，高低温物理分析及静态测试分析方法的花费 大、实验周期长、不能分开有缺陷和无缺陷光电耦合器件的缺点，文献 1 0 ，1 3 】 给出了基于噪声进行光电耦合器件可靠性筛选的方法。基于噪声方法，可以实现 光电耦合器件的非破坏性无损筛选。但是，现有的噪声筛选方法主要采用的是统 计筛选判据，需要大样本。对于小批量的昂贵军用光电耦合器件这种方法显然不 适合。而且，已有的物理判据“有严重的爆裂噪声”只给出了定性判定。为了解 决上述问题，本文研究基于噪声的光电耦合器件筛选物理判据。在详细分析光电 耦合器低频噪声的基础上，研究了噪声用于光电耦合器可靠性评估的方法。爆裂 噪声可以严重地影响光耦器件的可靠性，爆裂噪声可以作为光电耦合器件噪声筛 选的物理判据。通过对光耦器件噪声特性分析，应用高阶统计量方法，在现有光 耦器件噪声筛选统计判据的基础上，探讨了光耦器件筛选物理判据及其应用。 本论文具体结构如下：从第二章开始对噪声基础理论尤其是光电耦合器件噪 声类型及噪声产生机理做了必要的介绍；第三章详细论述了光电耦合器件的噪声 加严筛选物理判据与筛选方法；对光电耦合器件g - r 噪声的分类。第四章是理论 的验证与应用部分。将实验的数据进行处理和分析，对数据和器件分类，从实验 上证明了前面理论的可靠性。并按照新旧筛选方法，进行了一个对比。第五章是 结论部分。 第二章光电耦合器件的噪声理论基础 5 第二章光电耦合器件的噪声理论基础 2 1 光电耦合器件的类型 典型的光电耦合器件由两个片子( g a , 4 s 类l e d 和鲥光电晶体管) 、它们中间的 耦合介质和封装结构组成。耦合介质具有光透明电绝缘的特性。在各种光电耦合器 件中多种类型的耦合介质披使用：硅胶，光导纤维，薄层耦合复合物，或者直接 是空气。由于砷化镓发光二极管具有发光效率高，寿命长，可靠性高，频率响应 快等特点。另外，它的发光波长和硅光敏管的峰值接收波长接近，使得光电耦合 器的传输效率提高，所以大部分光电耦合器均采用砷化镓发光二极管和硅光敏三 极管的结构。 图2 1 光耦示意图 光电耦合器的种类较多，种类达数十种，主要有光电二极管型，通用型( 光电 三极管型，又分无基极引线和基极引线两种) 、光敏电阻型、光电达林顿型、施密 特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型( 又分单向晶闸管、双向晶闸 管) 、光敏场效应管型。此外还有双通道式( 内部有两套对管) 、高增益型、交一直 流输入型等等。外形有金属圆壳封装，塑封双列直插和光导纤维式等，其种类达 数十种。 光电耦合器件中l e d 结构主要有两种： 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 l 皤m e m l s s l o r t i m 翻 u 唾哺 m 扭i d n e 耐- 图z 2a m p h o t e r i c a l l yd o p e dl e d 示意图 1 4 图2 3d o u b l e - h e t e r o j u n c t i o nl e d 示意图【1 4 】 光电耦合器件的组合结构有两种；三明治结构( 如图2 4 ) 和横向结构( 如图 2 5 ) 。 第二章光电耦合器件的噪声理论基础 7 l 忠n 1 虱2 46 n 1 4 0 的三明治结构【1 5 l 黼黼呷曲礓 梆_ p 蝴 2 2 1 噪声的数学基础 图2 54 n 4 9 的横向结构【1 5 】 2 2 噪声的理论基础 噪声起源于物理量的随机起伏。在任一瞬间，不能预知随机变量的精确大小， 但是大多数随机变量遵循一定的统计分布规律。形成噪声的物理机制通常称为噪 声源。如果噪声源的性质不随时间变化，那么表征该噪声源的随机变量的统计特 性也不随时间变化，这种变量称为平稳随机变量。半导体器件中的噪声基本上都 属于平稳随机变量【1 郇7 1 。若随机变量连续取值，则称为连续随机变量；若随机变 量离散取值，则称为离散随机变量。 概率密度函数与平均值 对于连续随机变量石，设它在石与x + d x 之间取值的概率为 a e ( x ) 一p 经常具有多重时间常数，从两在频谱中会多次出现驼峰。 转折频率较低，故常与l f 噪声频谱迭加在一起。如图2 1 5 所示。 爆裂噪声的物理机构十分复杂，至今仍不清楚。但大量的试验表明，对于双 极晶体管和双极型集成电路，重金属杂质沉淀和晶格位错是其爆裂噪声的主要来 源。早期的试验还发现，重金属杂质和晶格位错的存在使爆裂噪声的发生几率及 幅度明显上升，故爆裂噪声的调制机构应与重金属和位错有关。赫苏( h s u ) 等人首 次提出一个解释爆裂噪声的物理模型闭。该模型认为，重金属杂质沉淀在p n 结空 间电荷区，与半导体形成金属一半导体点接触，在这种点接触形成的空间电荷区 中有存在着像位错这样的g - - t 中心。该中心被载流子占据的起伏控制着流过金属 一半导体的电流，从而产生噪声。但是，后来的实验结果发现，在消除了重金属 杂质沉淀之后，无杂质的所谓“纯净”的晶格位错也会引起爆裂噪声。目前，尚无一 个较圆满的模型能够解释爆裂噪声的物理机构，但是对双极晶体管和双极集成电 路而言晶格位错是引起爆裂噪声的主要原因。由于有爆裂噪声的器件往往退化的 都比较快，特别是在数字电路中有爆裂噪声的器件会引起误触发现象，妨碍器件 的正常工作。所以是否具有爆裂噪声也就成了表征器件可靠性的一个重要标准。 图2 1 6 光耦的噪声电路模犁 光耦的低频噪声电路模型瞄】如图2 1 6 。光电晶体管使用混合p 晶体管等效模 型，其中，e ，q ，和晶和传统的定义相同厶是l e d 的偏置电流，l 基于电噪声的光电耦台器加严筛选技术及应用 是光电晶体管的收集级电流，。是l e d 发射光子被光电晶体管吸收引起的光电 流。e 是散粒噪声源。，；。和，；：是光电晶体管中的1 ，噪声源。圪是e 一6 结中的 g 一，噪声源。噪声电流源砰是l e d 中的光相关电流波动，主要表现为散粒噪声。 噪声电压源哼是l e d 中的非光相关电压波动。，二除了散粒噪声外，还应该包含 1 ，噪声和g r 噪声。l e d 中光散粒噪声和电散粒噪声具有一致的起伏刚， i 。- 后。厶( 不包含暗电流) ，定义光电流的静态电流传输比。文献【3 0 】显示激光二 极管的低频光噪声( 包含1 f 噪声，哥r 噪声) 和电噪声之间有着强烈的相关性。而低 频光噪声和电噪声的非相关因素则来自欧姆接触，界面和有效层以外的其他层( 比 如缓冲层和阻挡层) 【3 。因此，激光二极管中电噪声可以给出有效层，欧姆接触， 界面和彳1 效层以外的其他层中的缺陷信息；而光噪声只包含有效层结和接触缺陷 的贞献。二极管中电噪声比光噪声与可靠性的相关性更大嗍。 光耦的前级等效噪声 i ；+ f ：瞄3 0 ) 其中，p 为光相关噪声，是j 光相关噪声。 光耦的后级等效输出噪声 一一，2 e e ( 1 + 专- ) + u ；+ 圪+ 2 瑶) 壤 ( 2 3 1 ) 兵中，知厶。i 瓦而1 ，巧- 砜，虿- 碱，万一等+ 姚鲈， 巧- 巧+ 石- 等，石一l + y r 2 虹f 2 4 毒2 ，q 是基本电荷量，4 ，呜，以是常数，口， ，y ，口是指数，亭每秒钟出现的脉冲数，- ，0 5 口，芦墨1 5 ，1 仉r 互2 ， o 5 墨0 2 。 a 散粒噪声区 i ：- i ：q + 扣+ 劲铲2 k ：( 2 - 3 2 ) 一弛( 1 + 匀+ 碱 b 1 ，噪声区 巧一玩- 笋铲2a ，h ；，( k 。j o ) 一 ( 2 - 3 3 ) c g 一，噪声区 第二章光电耦合器件的噪声理论基础 乏io历12h，2。且1+-,t2f24孝2铲2器2 6 ( 2 - a 4 ) 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 3 1 原有筛选判据与方法 现有的光电耦合器可靠性的噪声评估方法： 筛选判据l 1 0 l ： ( a ) vn ( 1i - i o 芑。n w 4 - 面( m “是一个统计值) ； ( b ) vn ( 1 0h z ) n n ( 1h z ) ，( r 与，有关系，一般取0 6 左右，值越小条件越 严格) ； ( c ) 有严重的爆裂噪声。 这个筛选判据的应用方法是：满足以上条件之一者，就认为该器件存在严重 缺陷，应予以剔除。 之所以提出这样的判据，其原因有以下几点： ( a ) f = 1 i t z 点噪声值可以很好地反映器件1 f 噪声大小；k o n c z a k o w s k a 提出了一 个可靠性实验验证的分类标准b o l 。设k 的均值为呒，方差为盯，质量分类的边界 值为一呒一口，- 瓦4 - a 0 ，口0 6 7 当露，认为器件质量优；当 t 露s ，认为器件质量良；当瓦，认为器件质量差。 ( b ) 使用曲线拟合，光电耦合器件中的g r 噪声可以从输出噪声谱中精确分离， 但是要花费一定的时间，对于实际应用不太合适。为了方便实际工业应用，使用 两个点频功率谱的比值来作为指标。通过测量大量的光耦器件，其转折频率大约 在1 0 - 3 0 h z ，并且噪声谱在这段区域内是平的。若比值v n ( t o h z ) v n ( 1 k ) 过大， 则说明存在妙噪声。 如果是埘噪声主导，s ( ，) - 导，r - v o o o ) n 2 v o o ) m 一1 ，1 0 o 3 3 。如果白 j 噪声起主导作用，则r - 0 。所以r 的值范围为0 - 0 3 3 如果光电耦合器件存在g r 噪声，转折频率以下噪声谱呈平台状。因此，的值比0 3 3 更大。r 的值大致里正 态分布。均值为f ，方差g 。选择芦一2 ，这时，的阈值为- f + 触。当，s r , 时， 器件被认为是高质量；当，时，器件被认为是低质量a 因此选取v n ( 1 0h z ) 与矿n0h z ) 的比值来作为是否有g r 噪声的指标。 ( c ) 爆裂噪声反映和影响器件的可靠性，由时间序列图可以发现是否存在爆裂 噪声。 筛选判据2 ： ( a ) 总噪声大于整批器件的平均值加2 倍的标准方差； 基于电噪声的光电耦台器加严筛选技术及应用 ( b ) 出现爆裂噪声。 这个筛选判据的应用方法是：满足以上条件之一者，就认为该器件存在严重 缺陷，应予以剔除。 之所以提出这样的判据，其原因有以下几点： ( a ) 每个器件都存在基本1 f 噪声，筛选中使用非基本1 炉噪声的大小来评估器件 的可靠性，制造工艺中氧化层陷阱大多服从正态分布，1 礞声的功率谱密度正比 于氧化层陷阱密度m ，因此1 f 噪声的功率谱密度满足正态分布。利用2 倍方差来剔 除掉可靠性不好的大噪声的器件。 爆裂噪声反映和影响器件的可靠性，由时间序列图可以发现是否存在爆裂 噪声。 3 2 爆裂噪声与光耦器件可靠性及质量的关系 爆裂噪声属于g r 噪声，它的缺陷较严重，主要来自于结晶位错， 重金属 杂质凝聚等。对于发光二极管而言，其中含有的杂质、缺陷及它们的复合体所形 成的深能级，将产生红外辐射及无辐射跃迁，这都将严重的影响发光二极管的发 光效率，并使之出现退化现象。器件中的重金属杂质也是影响器件性能的一个主 要因素。重金属杂质在器件中起产生一复合中心的作用，使p n 结反向电流增加， 击穿特性变软。在晶体管基区中，重金属杂质将增加少子复合，减少基区输运系 数，从而导致电流放大系数下降。另外，金属杂质容易在位错处沉积，位错与金 属杂质的互作用，也是影响器件特性的主要因素。 爆裂噪声主要出现在阳结区，不仅会影响器件的可靠性，同时也会妨碍器 件的正常工作，特别是在数字电路中会引起误触发现象。如图2 1 4 ，在时域内爆 裂噪声表现为大幅度的“台阶”波形，而在对应的频谱图2 1 5 上则表现出来两次出 现的驼峰。对比图2 1 3 是没有爆裂噪声的信号。 另一方面，位错、暗点缺陷、暗线缺陷在l e d 器件的快速退化中扮演着重要 角色【3 3 州。在光电器件中，光照生成电子空穴对，电子空穴对复合增强缺陷和 弱岛一& 键断裂在材料的退化中起重要作用 3 5 , 3 6 , 3 7 1 。大多数情况下，c t r 退化 的主要原因是因为光电耦合器里的u d 效率的下降。发光二极管的外量子效率都 会随时间而变化，这种性能随时间的下降称为退化。有体发光效率的退化和那结 空间电荷层中的复合增加造成的注入效率的退化两个方面的退化。发光效率退化 的机理是复杂的，非辐射复合中心的增加、晶体缺陷的产生、表面的劣化等，都 可能是器件发光效率降低的原因。 空间电荷层中的非辐射复合是一种重要的退化结构。这种退化明显地表现在 l e d ，一v 特性的老化上。i y 特性可表示成i “e x p ( q v l n k t ) ，当注入电流很小 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 时势垒区的复合以空间电荷复合电流为主，刀一2 ；但当偏置到正常工作状态时， 则以扩散电流为主，疗- 1 。在尚未退化的发光二极管中，空间电荷复合电流及扩 散电流都存在，丽在退化的l e d 中，正向电流只受空间电荷支配。在g a p 和g a a s 发光二极管中都能观察到这种特征。 在缺陷方面，沿晶格方向的位错网络也是造成l e d 退化的原因。这些位错网 络被称为暗线缺陷，也称暗缺陷。器件性能退化的区域一般就是暗缺陷存在的区 域或网络扩散长度范匿内的区域。位错的滑移和攀依同点缺陷的密度有很大关系， 点缺陷往往会在带隙中形成深能级。 材料本体发光效率的退化，也是l e d 性能退化的重要原因。非辐射的俄歇复 合是材料体发光效率退化的典型例子。材料中发光中心浓度的降低也是材料体发 光效率退化的原因之一。 o 欺 艮缀雌黼合 缈 臻融 r 黼 3 ) 皱路位置 e 、r 龋獭 图3 1 能带图显示了电子和空穴在缺陷位置的捕获， 引起了缺陷的强烈振动。导致新的缺陷的产生i t s 位错和点缺陷同复合增强互作用可以在位错缺陷附近引起结构改变等退化， 位错攀移和位错滑移，点缺陷生成和扩散，如图3 1 所示。预先存在的缺陷和它 们的影响对于材料的退化有重要影响。 3 3 爆裂噪声作为光电耦合器筛选的物理判据 3 3 1 基于噪声物理判据筛选的优点 失效物理【鹞潮，柏t 4 1 l 关注产品设计和生产中的失效根源。通过建立失效过程和模 型，分析失效模式和失效枫理，采用失效物理的方法可以预测器件性能、改进器 件制造工艺，可以有效地判断单个器件的可靠性能。每个失效机理被模型化，它 们对器件可靠性的分布贡献被综合考虑。从而得出器件的可靠性能。基于失效物 理方法的可靠性评价，将可靠性与设计工艺相结合，这为产品在实际工作条件下 的寿命评估提供了科学依据。 早期的筛选都是应用统计的方法。这种方法适用于大样本的器件筛选，对于 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 小样本或者直接的单独器件，这种方法的局限性很大。统计方法不能揭示制造工 艺变量源( 材料特性、空间变化和缺陷含量) 和器件可靠性的关系。 3 3 2 明显爆裂噪声谱的拟合 _ 0一曲_ “j | 。划j- 山 弛_ 孵 i t , ， 隔 啊_胛l 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 3 3 3 双谱作为基于爆裂噪声的光电耦合器筛选补充物理判据 现有的光耦噪声筛选主要采用噪声功率谱二阶统计量阈值方法，通过把噪声 信号作为高斯信号来处理。而实际噪声信号包含很多的非高斯性，因此采用高阶 统计量的方法会产生积极的意义。 人们常常习惯于假设信号或噪声服从高斯分布，这是由于高斯信号易于处理 且最简单。但是，高斯分布只是许多分布类型中的一种，实际中我们得到得检测 信号大多是非高斯性的。近年来高阶统计量，特别是高阶累计量及其相应的谱得 到人们极大的关注。由于它们具有的对于高斯，甚至有色高斯噪声不敏感的优良 的特性，此外它是一种非参数的方法，所以不需要所研究的非高斯信号的具体模 型并且不需要知道噪声信号的先验统计知识。对噪声信号的研究一直延续使用功 率谱密度，而高阶统计量可以提供比自相关和不相关更多的信息。高阶统计量可 以区分具有相同功率谱的1 f 噪声源的小的统计区别1 4 2 j 。 双谱作为基于爆裂噪声的光电耦合器筛选补充物理判据。明显爆裂噪声可以 直接从时间序列或谱上直观观察出来，或者通过谱的拟合得到爆裂噪声的幅值和 中心频率，予以定量表征。不明显爆裂噪声确实可以用双谱表征。爆裂噪声作为 光电耦合器件噪声筛选的物理判据的依据。 回溯 0 j l e , o mc o 对 口o o 薹。 回 _薹 垦l 羹 t h 矾v n 图3 ，4 光耦j v 4 n 4 7 样品时间序列和直方图( 不舍有爆裂噪声) ( 红色曲线为拟合的高斯曲线) ” 妒 妒 妒 妒 一 孙 一 一 一 一 ； 疆 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 ； 4 4 o 口 臣 瓣 回 _囊 匿 、 蓁毳塞蕊 图3 5 光耦j v 4 n 4 7 样品时问序列和直方图( 含有爆裂噪声) 图3 5 存在双态爆裂噪声，其阈值要低于瑞利判据( 如果两个高斯分布峰值 之间的幅度不超过最大峰值的8 1 1 ，我们就认为这两点就是可以分辨的。否则， 这两点就是不可分辨的。) 的可分辨阙值。这里直方图中的高斯分布的宽度值要比 图3 4 大。因为这里是两个高斯分布的叠加。 从上述这些幅值随时间改变的时间序列中，观察到爆裂噪声的多种类型。把 这些幅值维持一定时间的每一个状态称为一个态。通过对态跃迁之间的各种程度 的稳态性的定量定义来描述这些差异。以从一个态出现到它跃迁到另一个态时这 段停留的总的时间作为稳态程度的定义。这里认为，在平均0 0 2 s 以上的态为稳 态( s ) ，0 0 0 2 5 s 以下的为非稳态( u ) ，其余停留时间界于0 0 0 2 5 s 和0 0 2 s 之间 的都称为亚稳态( m ) 。引起爆裂噪声的缺陷以两种状态的形式存在，两种状态的转 换也许可以看成是一个热激发过程。两种态以它们的特征时间依次而存在。态的 转换时间常数与时间序列图形上横座标时间轴上的时间长短有关，而态各自的俘 获时间与噪声的纵向座标的幅值有关。 这三种状态在噪声信号中以一定组合出现，就构成了爆裂噪声，当噪声信号 以一定规律出现其中的两种状态，称为双态爆裂噪声。双态爆裂噪声在爆裂噪声 中最为普遍【叫。三种稳定态( 稳态，亚稳态和非稳态) 有6 种不同的变化。 爆裂噪声 态1态2 s s s m s u h - h l 删 稳态 稳态 稳态 亚稳态 亚稳态 稳态 亚稳态 非稳态 亚稳态 非稳态 ； 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 非稳态非稳态 表3 1 双态爆裂噪声 囹骥 h 矿 - 血矿 o 脚瞒0 4 i od o *o 脚 t i i t i 图3 6 u - u 爆裂噪声 回浚 d oo mo m dm t n 回 藿縻霪k 图3 7u - u 爆裂噪声 随着相邻高斯分布之间峰与峰之问的分离变小，用眼睛区分爆裂噪声变得越 来越困难。如图3 6 所示到如图3 7 所示的变化，这里图中峰与峰的分离小于 5 0 m r y ，非常接近。 当向第二个态跃迁的频率下降时，爆裂噪声从双非稳态变到亚稳态一非稳态， 甚至稳态一非稳态。同样，当它们非常接近的时候，第二个态的数据点的数量显著 下降，馒观察第二个态更加困难。另外，即使两个态比瑞利判据分开得更大，但 是当非稳态的数据点非常少时，观察它仍然很困难。因此，很多带有接近态的爆 裂噪声信号和小概率发生的亚稳态一非稳态和稳态一非稳态很难按照爆裂噪声的规 则被检验出来，。如图3 8 ，图3 9 。 妒 妒 ” 妒 妒 协 慵 慵 坤 城 孓 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 圃n n m o 2 j f o a 0 4 2 , d k l 0 4 矗 一 ；t , k 1 0 4 “矿 庙d o 昱 图3 8 m u 爆裂噪声 “h ，一 矿 0 0 栩r - 一 j 1 一 mo m1 0 6o m t i m w 蓦 图3 9 $ - u 爆裂噪声 囤瓣 o 柚o 椰0 j oo 螂o 哪 t i m 图3 1 0 m - m 爆裂噪声 而亚稳态一亚稳态，稳态一亚稳态，稳态一稳态按照传统爆裂噪声规则很容易被 观察到。如图3 1 0 ，图3 1 1 ，图3 1 2 。 一 ； 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 3 1 回疆 i 一 ， f 一 藿，m p o 埘o m o m 付 q脚 删口柚甜擒，o 口口z m 口 撕订+ 口- 刖矿 t i m sm 图3 1 1 s m 爆裂噪声 圃疆圃 0 舳o 脚o d 口蚋0 口瑚 t i m s l 霾蓁 ，一 i 么lk垦蕊， 图3 1 2 $ - s 爆裂噪声 爆裂噪声起源于禁带中缺陷陷阱中心捕获和释放比率的随机波动。这依次引 起电流或电压波动。产生复合跃迁一般用s 髓( s h o c k l e y r e a d h a l l ) 模型【4 4 l 来解 释。 图3 1 3s r b 模型( 单缺陷能级) 一 懈酐斯帅怖 艄蚧艄们 一 嘶 一 一 一 豫 蜘舯恤船慨蛳惭斯静蛐 删批 一 一 一 愀 嘲 一 3 2 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 阁3 1 3 只画出了一个陷阱能缓。 克利方程： 一磐一扣心一啊一q l - 。 i i d n i 1 甲一邑+ 一 - d哪口 。一鲁+ 吉v - g r + ，一。 捕获电子的连续方程： 小瓮+ g - 一喝”，- 7 i o ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) tk 和n 是用来描述随机跃迁率波动的l a n g e v i n 噪声项。 l hf 叛迂率可以表达为： - n ( 坼一珥) ，g 。- 啊珥 ( 3 6 ) 空八跃迁宰可以表达为 0 = c p p n t ，g ，- 勺a ( 以- n , ) ( 3 7 ) 坼表示缺陷密度，l l 和p 1 是肖克利参数。 这个模型中，每个缺陷类别通过缺陷密度，载流子捕获系数和它相对于导带 和价带的能级位置来区分。 对f 电阻，在欧姆区的爆裂电流噪声谱密度正比于，2 。对于一个p n 结，噪声 随f 改变，1 j cs2 ，依赖于爆裂噪声源的体位置。随着器件所加的偏置的上升引 起热噪声背景下爆裂噪声成分的上升。但是在实际中，载流子加热和来自邻近区 域的空间电荷注入将改变场相关的载流子迁移率，位置相关载流子和捕获电子密 度，引起的高偏置下一个缺陷中心的爆裂噪声信号的改变。要在这些情况下区分 整个噪声是很困难的。在低偏置情况下，爆裂噪声低于1 f 噪声。随着偏置的上 升， 爆裂噪声明显地从1 f 噪声中出现，达到一个峰值后由于显著的空问电荷注 入开始减少。注入的电子填充陷阱，结果这种水平下由于复合率和经过详细平衡 膈的产生率退化，爆裂机理几乎不能发挥作用。这个结果导致爆裂噪声强度的下 降。 瞪材科或器件中的载流子数目为，单位时问内载流子的产生率为g ( ) ，复 合率为，( ，相应的涨落量为姆( f ) 、血0 ) ，则可写出下列方程： 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 警一删+ 警”，0 v ) 一( 3 - 8 ) 将一0 + 及平衡条件g ( o ) - r ( , v o ) 代入式( 3 8 ) ，其中0 为平衡载流子数， 并忽略a 的高次项，可得 些坚堕一垒翌垃+ h ( f )( 3 9 ) d tf 式中，t 是特征时闻常数，可由下式求出； 吾一唔一知，。( 3 - 1 0 ，；叫j 万一j 一一o w 日( | ) - g ( f ) 一a r o ) ( 3 - t 1 ) 是表示噪声涨落随机噪声源的函数。 双态系统由两个势阱组成，缺陷或杂质原子可从一个势阱跃迁到另一个。这 两个势阱用a 和b 分别表示。如图3 1 4 是双态系统的示意图。 图3 1 4 双态系统示意图 假设两个态具有相同的，两个态的时间常数可以写为： 堡鳢 乃= r o e ”和t n - r o e ” 堕 一堡 f i t o e 灯【阮”+ 0 - o ) e ”】 这是一个热激发过程。口满足二项分布b ( 1 ，口) 。 当大于蚯时，f - - j - 以化简为f i r o e ”。 q ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 态各自出现的概率各自都符合正态分布，且相互独立，记为( “，矾2 ) ， ( 鸬，吼2 ) 。两个态出现的概率分别为口和1 - 口。时间常数l 和决定了产生和复 合的载流子的数量，反映在时间序列上就是出现的爆裂噪声的幅值( “，1 1 2 ) 大 小。概率一和1 - 口则反映其所对应态的保持时问，反映在时间序列上就是出现的噪 声信号的持续性。当两个态迭加到一起，即伊( 一，q 2 ) + ( 1 一口) ( 如，吒2 ) 。若口为 常数，则因为相互独立的两个正态随机变量的线性组合也为正态分布，可以得到 基于电噪声的光电耦合器加严筛选技术及应用 输出噪声信号满足正态分布。由于双态系统的双态之间的转换是一个热激发过程 过程，因此一是一个变量所以两个态叠加到一起后，变量 ( 雎，q 2 ) + ( 1 一口) ( 心，0 2 2 ) 不服从正态分布，噪声信号引入了非高斯性。 将爆裂噪声看成是由n 个随机开关并联组合而成。开关全部闭合时，电流 为i ；开关全部断开时，电流为零。在时间间隔出内，假定断开着的开关的闭合几 率为为d t l r ，闭合着的开关的断开几率为d t l r ：。在一特定瞬间内，设有m 个开 关断开，2 个开关闭合。1 、：为平衡值，m + 2 n 一常数，则断开着的开 关的闭合速率为 塑譬业一( _ + 她) 当+ ( - + 蝇) 当+ 日o ) ( 3 - 1 4 ) 式中，h ( t 、为随机源函数。按定义，a l ，一2 ，d l d t - 0 ，由上式可得 堕堕 ( 3 1 5 ) 弓弓 n 一n 二l 一 弓手弓 n 、一n 三一 弓手弓 斫i 爵 d & ， v l 。一坐+ 日( f ) 出f 。 式中，f i t i 航+ 吒) 。将( 3 1 9 ) 甚竺堡兰叶变换并积分得 咒1 ( ，) i - 4 m a n ；r ：一枷蔫南 由于电流i 正比于d v l ，则爆裂噪声电流的功率谱密度可以写成为 跗) 1 4 ，2 轰南 当随机脉冲对称时，即毛吃时，噪声达到最大。这时，有 s ( ，) l ，2 1 + 三o f r 2 上面的推导说明双态系统的结构可以产生爆裂噪声。 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 第三章加严筛选物理判据与筛选方法 3 3 4 不明显爆裂噪声可以用双谱表征 由3 3 2 节和3 3 3 节的内容可以知道，对于按照传统爆裂噪声规则很容易 被观察到的亚稳态一亚稳态，稳态一亚稳态，稳态一稳态可以按照3 3 2 节的明显爆 裂噪声谱的拟合而求出爆裂噪声的幅值和其对应的特征频率。而对于非稳态一非稳 态，亚稳态一非稳态，稳态一非稳态爆裂噪声不明显，可以用非高斯性来表征 1 9 8 2 年h i n i c h 首先提出了使用高阶累计量检验非高斯性的理论，并给出了相 应的检验量：双相干系数和三相干系数【4 习。使用r 2 值来衡量信号的非高斯性。 n 罗百j 堕型l ( 3 - 2 3 ) 争善务( ) ( ) 只( + w 1 ) 其中，p 为估计双谱或的主值域，只为信号y o ) 的功率谱，葳( q ，鸭) 为信号工o ) 的 双谱，n 为信号的长度，k 为将信号分成的段数，l 为平滑窗的长度。 二元假设检验： 甄；t 2 苫露非高斯信号 e 。；t 2 t 霹平稳高斯信号 其中砰是由虚警概率确定的检验门限值。 3 4 不含爆裂噪声的情况 大多数的1 f 噪声起源于迁移率涨落i 删和表面载流子数涨落 4 7 , 4 8 , 4 9 。非基本1 f 噪声主要包括表面1 f 噪声。表面载流子数涨落引起的表面1 f 噪声的大小在很大 程度上取决于工作电流中表面成分的多少。当材料中陷阱的时常数不是唯一的， 而是在一个相当宽的范围内分布，它们产生的噪声表面1 f 噪声是大量的洛仑兹谱 的叠加。这种大量的叠加的结果信号往往构成具有高斯性的信号。由迁移率涨落 引起的体l f 噪声属于基本噪声，仅与单个电子的性质有关，与器件具体结构无关。 这种