（材料物理与化学专业论文）中低阻样品噪声测试技术研究.pdf

摘要 摘要 低频噪声测量作为电子元器件可靠性评价与筛选的新手段，已经越来越得到 人们青睐。随着低频噪声基础理论研究的不断深入及噪声测量技术水平的提高， 低频噪声的研究与应用领域越来越宽。以阻性无源元件为代表的中低阻器件，由 于器件阻抗较小，在实际噪声信号测量中，相对于使用m q 级输入阻抗放大器的 测量系统，将使得放大器噪声系数明显增大，信号传递过程中的信噪比恶化更为 严重，导致测试系统背景噪声明显增大这种情况下，对于噪声信号极为微弱的 中低阻器件，如何准确提取出样品中的噪声信号成为当前中低阻器件低频噪声研 究与应用的当务之急 本文在详细分析中低阻器件噪声测量实验中阻抗特性及噪声幅度的基础上 进行了中低阻样品噪声测量技术方面的研究。取得了以下研究结果： 1 、详细分析了影响中低阻器件噪声信号测量的三大因素：阻抗匹配、背景 噪声、及系统测量精度。对于中低阻样品上噪声电压信号的测量，样品源阻抗与 放大系统输入阻抗采用的是电压匹配方式，应该使放大器输入阻抗远大于被测量 样品源阻抗，以便测量样品上的噪声电压呈现最小的压降损失但是，放大器输 入阻抗又不能无限增大，过大的输入阻抗导致放大器噪声系数增大，信号传递过 程中的信噪比恶化更为严重致使放大器背景噪声增大，从而不利于中低阻样品 上微弱噪声信号豹测量。系统测量精度的提高同样有助于微弱噪声信号的测量， 这主要取决于放大系统增益和采集模块精度的提高。 2 、针对以上分析，设计并实现了利用双放大器串联实现信号放大的中低阻 样品噪声测试系统通过选择具有低输入阻抗( 1 k q ) 、超低背景噪声( 功率谱密度 等级大约为1 0 1 8 v 毗1 的前置放大器作为放大系统第一级放大，可以解决测试系 统的阻抗匹配及背景噪声问题，第二级放大通过选用高增益放大器提高了测试系 统的测量精度并且，文中给出了该系统的应用规范 3 、通过各种实验对测试系统的技术指标进行了验证实验表明：该测试系 统可以实现对于阻抗范围在2 0 0 1 0 0 l l 之间的中低阻样品噪声信号的准确测 量，系统等效输入背景噪声低至1 0 1 s v 2 h z ，对于噪声电压的测量精度可以达到 l n v 同时，文中还讨论了外部环境干扰对测试结果的影响 4 、本文中还给出了两个具体的样品噪声测试实例：金属互连老化过程噪声 测试及低阻厚膜电阻样品噪声测试实验表明；该测试系统可以很好的实现对于 样品低频噪声信息的准确提取测试过程中，系统的白噪声幅度始终保持稳定 通过实验，我们证明了该测试系统优异的性能指标并展现了其良好的应用前景。 关键词：低频噪声中低阻器件噪声测试 a b s t r a c t a san e wt o o lf o re v a l u a t ee l e c t r o n i cd e v i c e sr e l i a b i l i t y , l o wf r e q u e n c yn o i s e i n c a s u l c m c n ta ”h l o r ca n di d o i t ：r e c o g n t z c d b yr e a r e l a e r s a l o n g w i t ht h e c o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n ti ns t u d yo fb a s l et h e o r yo fl o wf a v q u c n e yn o i s ea n dt h c a d v a n c eo fn o i s ei l l c a s u l r c l n l e l l tt e c h n i cl e v e l , s t u d ya n da p p l i c a t i o nf i e l do fl o w f a c q u c n e yn o i s ea i l l o r ca n dh l o l t w i d e l y b i ，c - a l i i s co ft l a cl e s s e ri m p e , l a n c ci n m e d i u mi m p e d a n c e l o wi m p e , t a e cd e v i c e ss u c ha sp a s s i v er e s i s t a n c ed e v i c e s , i n r e a l l yn o i s es i g , a lm c a s u r c m c a t , t h i s w i l lm a k et h e - o i s cc 0 c 仿e i e n ti n c r e a s e d o b v i o u s l y , s n rw i l lb cw o i s ei nt h ep r o c e s so fs i g n a lt r a n s f e r , a n dl e a du pt ot l a c a u g m e n to ft h es y s t e m sb a c k g r o u n dn o i s e 。t h e r e f o r e , h o wt op i c k - u pt l a cn o i s es i g n a l e x a c t l yi nt h em e d i u mi m p t d a n o 吖l o wi m p e x l a , 七d e v i c e sw i t hw e a kn o i s ei st h e u r g e n t a f f a i r sf o rc u r r e n t l yr e s c a r e l aa n d a p p l i c a t i o ni nl o wf l 戡l t t e n e yn o i s e b a s e d0 1 1t l a ea n a l y z i n go ft h ei m l , e ( 1 a n c cc h a r a c t e r i s t i c sa n dn o i s el c v e li nt h e s a m p l e s , t h et e c h n o l o g yo fl o wf r c q u c n e yn o i s ei l l c a s i l l c m c l l l 【i nm e d i u mi n l p c d 卸c 吖 l o wi m l 舷l a n e ed e v i c e si s ( i c v c l o l 僦t , a n do b t a i n sv a l u a b l er e s u l t sa sf o l l o w i n g ： 1 、a l 丝y s l n gt h 。缸f l 雠戤f a c t o r sd c t a i c d l y , i m p e d a l 磺m a t c h i n g , b a e l 【g r o u n d n o i s ca n dt h es y s t e m sl l a c a s u l e p r e c i s i o n , w h e nm e a s u r c i n gt h en o i s es i g n a l s i n m e d i u mi m p e d a n c e l o wi m r 烈l a c ed e v i c e s f o rm e a s u r i n gt h en o i s ev o l t a g es i g n a l s i nt h es a m p l e s ，t h ei m l , e d a n e co ft l a c s a m p l e sm a t c h e st h ei n p u ti m p e d a c co ft h e a m p l i f i e rs y s t e mb yv o l t a g e t h e r e b y , t h ei n p u ti m p e d a n c eo ft h ea m p l i f i e rs y s t e m s h o u l db ei l i g h c rt h a nt h ei m p e d a n c eo ft h es a m p l e s , s ot h a tt l a cn o i s ev o l t a g ei nt h e s a m p l e sp r e s e n tt l a cl o w e s tl o s i g h o w e v e r , t h ei n p u ti m w a a n e eo ft h ea m p l i f i e r c a n n o tj l l c l e a 辩w i t h o u tl i m i t , t o o 姆i n p u ti m o e d a c cw i l lm 盛et h en o i s e c o e t 琢z i c n to ft h ea m p l i f i e ri n c r e a s e d , t l a cs n rw i l lb cw o 嗽i nt h ep r o c e 豁o fs i g n a l u a n s f c r a n dl e a du pt ot l a cr a i s eo ft l a cs y s t e m 、sb a c k g r o u n dn o i s e c o m e q u c n t l y , t h i s w i l lm a k e ：a g a i 雎tt l a el l l c a $ u l r e l n c n to fw c a kn o i s es i g n a l si nt l a cs a m p l c t h ea d v a n c e o ft h es y s t e m 、5m l ：a s u l * cp r e 虻i s i o ow i l lh e l pt ol n p , a s i l l cw e a kn o i s es j 粤唿l s ，t h i s m o s t l yd e p e n do nt h ea d v a n c xo ft l a cg a i no ft l a ca m p l i f i e rs y s t e ma n dt h es a m p l i n g p r e c i s i o n 2 、b a s e da n a l y s i so fa b o v e ，t h i st h e s i sd e s i g na n de a r l yo u tt l a cm e d i u m i m p e , t a n 耐l o wi m p e d a c ed e v i c e sn o i s em t e l l s u r e l l l c i l ls y s t c mw h i c hu t i l i z e st w o a m p l i f i e r si ns e r i e st om a k et h es i g n a le n l a r g e b yc h o o s i n gt h ep r e a m p l i f i c rw i t hl o w i n p u tr e s i s t a n c e ( 1 k q ) ，u l t r al o wb a c k g r o u n dn o i s e ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t yg r a d ei s 1 0 1 一7 h 童1a st h ef i r s tl e v e lo fa m p l i f i e rs y s t e m , w ec a l ls o l v et h ep r o b l e ma b o u t i m p e d a e cm a t c h i n ga n db a c k g r o t m dn o i s e t h es e c o n dl e v e la m p l i f i c ri m p r o v e st h e l n c a s i t l r c l n c n t p r e c i s i o no fm c a , s , u i c m c i l ls y s t e mb yc h o o s i n gh i g hg a i na m p l i f i c r b e s i d e s , i nt h i st l a e s i sw cg i v ct l a eo u t l i n eo f m c t l a o dt ou s et h i ss y s t e m 3 、w et c s t i f y e dm a n yt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fm e a s u r e m e n ts y s t mb ym a n y e x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t sp m v c dt h a tt h en o i s em e a 锄m m c n ts y s t e mc a na c c u r a t e l y m e a s u r et h en o i s es i g n a li nm e d i u mi m p e d a n c e l o wi m p e d a n c e s a m p l ew i t ht h e i m p e d a n c er a n g ef r o m2 0 qt o1 0 0 0 。s y s t e me q u i v a l e mi n p u tb a c k g r o u n dn o i s e 啪 g e td o w nt o1 0 1 西v 2 k ，a n dt h en o i s ev o l t a g em e 猫u r e m e n tp r e c i s i o nc 姐g e tt oi n v i nt h i st h e s i s , w ea l s od i s c u s s e dt h e s u r r o u n d i n g si n t e r f e r e i n f l u e n c et ot h e m e a s u r e m e n tr e s u l t s 4 、i nt m st h e s i s ，w ea l s og i v et w on o i s em e a s u r e m e n tc a s e s ，n o i s em e a s u r e m e m a b o u tm e t a li n t e r c o n n e c te l e t r o m i g r a t i o na g i n gp r o c e s sa n dn o i s em e a s u r e m e n ta b o u t l o wi m p e d a n c et h i c kf i l mr e s i s t o r s a m p l e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a t t h i sn o i s e m e a s u r e m e n ts y s t e m 啪p i c k - u pt h el o wf r e q u e n c yn o i s ei n f o r m a t i o na c c u r a t e l y i n t h em e a s u r e m e n tp r o c e s s , t h ew h i t en o i s el e v e lo ft h es y s t e mc a n s t a ys t a b i l i z a t i o na l l t h et i m e b ye x p e r i m e n t sw ep r o v e dt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e si n d e xa n de x h l i b i t e di t s b r i g h ta p p l yf o r e g r o u n d k e y w o r d sl o wf t e q u e n c yn o i s em e d i u mi m p e d a n c ea n dl o wi m p e d a n c e d e v i c en o i s em e a s u r m e m 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列的内容外，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；查丕丝日期：坦2 ：兰2 关于论文使用授权说明 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工作成果时署名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，可以允许采取影印、缩印或其他手段保存论文( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1电子元器件低频噪声测量意义 电子元器件( 包括半导体分立器件和由分立器件组成的复杂电子元器件) 的 电子噪声是制约器件灵敏度和检测精度的一个关键指标，电子噪声的低频部分可 以用来表征器件的质量和可靠性，目前将器件的低频噪声测试作为一种微电子技 术可靠性评估手段已越来越受到人们的青睐【l 。噪声已经成为电子元器件可靠性 评价与筛选的一种简单而有效的新手段作为一种可靠性表征手段，电子元器件 的低频噪声可靠性表征技术具有以下几个特点： ( 1 ) 普遍适用性几乎所有的电子元器件和电子系统都能观测到电噪声。 ( 2 ) 高度灵敏性噪声实际上是系统偏离平衡状态程度的一种度量。当器 件的微观结构、电子状态或杂质分布随时问的延伸或受应力的作用而有微小变化 ( 甚至是原子尺度的变化) 时。噪声都会有明显的变化。在同一设计和工艺条件 下同批制造出来并已通过常规检测的器件中，噪声的差距却很大，这就是噪声对 杂质、缺陷和损伤敏感性的一个佐证 ( 3 ) 非破坏性噪声测量所加的电流和电压，非常接近于或远远低于器件 正常工作的应力水平，故噪声测试是无损的通常用于可靠性评估的加速寿命试 验方法，需要加高温或强应力，难免会给器件造成损伤。 ( 4 ) 检测速度较快。噪声检测属于电学检测，不仅对环境和检验条件要求 不高，而且与一般可靠性评估实验相比检测速度较快 正是由于具备以上突出的优点，噪声作为电子元器件可靠性的表征方法和电 路模块的诊断检测工具在国际上已得到相当广泛的研究和应用。到目前为止，有 关此方面的研究仍是一个非常活跃的领域，尚待解决的问题仍然很多，比如中低 阻器件低频噪声的检测与分析技术、具备复杂电路模块器件低频噪声的检测与分 析技术等等 在我国，目前无论是在噪声的基础研究方面，还是在低频噪声测试系统与器 件的研制方面，都十分薄弱。对于电子元器件低频噪声的测试方法上，国内还是 处于比较落后阶段。本文通过对电子噪声测量技术基础理论的详细研究与分析， 给出了一些电子噪声测试的基本理论与方法在此基础上，针对噪声测试中中低 阻器件测试所特有的问题，通过详细分析中低阻器件噪声测试中的影响因素，设 计并实现了全新的中低阻器件噪声测试系统，并且通过各方面详细实验验证了新 系统的技术指标。 2 中低阻样品噪声测试技术研究 1 2中低阻器件噪声测量现状与问题 在电子元器件低频噪声测量研究领域中。有一类器件较为特殊，即中低阻器 件的噪声测量问题该类器件共同的特点是测试样品的阻抗较小，使得噪声测试 中放大系统呈现较大的背景噪声。同时某些器件的噪声信号非常微弱，很容易被 测试系统的背景噪声所淹没，并且容易受到外界信号影响，测试难度非常大。 为了提高对中低阻器件噪声信号测量的准确性，研究人员先后开发了不 同的测试系统来减小测试时的背景噪声影响，特别是前置放大电路的背景噪声。 最为传统的测试系统为直流测试系统1 6 1 ，该系统利用阻抗匹配变压器将样品阻值 进行放大，以减小放大器的背景噪声影响。1 9 8 9 年，v e r b r u g g e n 等人又提出了一 种新的交流桥式测量系统 7 1 ，通过在系统中采用交流电流调制载波来减小前置放 大电路的背景噪声1 9 9 7 年，a b d u l l a hm y a s s i n e 和c h a r l e st s o n g m i n gc h e n 提出另外一种交流直流噪声测试系统唧，使用直流大电流产生噪声，交流小电流 用来检测噪声。该系统弥补了交流桥式测量系统经常出现的电桥偏离平衡状态问 题，提高了测试系统稳定性，同时降低了系统背景噪声 以上系统，均基于减小系统背景噪声的出发点而设计但是，在样品噪声信 号非常微弱的测试中，例如金属互连样品噪声测试，还须考虑系统增益问题，信 号能不能被正确的放大到测量设备可以检测的精度之内成为研究人员考虑的另外 一个重点在这种特殊应用中，以上介绍的系统中均采用了阻抗匹配变压器对信 号进行一级放大，但是它极差的频率响应特性导致测量的低频段信号无法实现一 致放大本文研究了这一问题，并且提出了相应的改进系统。通过实验验证和实 际应用表明，该系统很好的解决了这一问题，为中低阻器件的微弱低频信号测量 奠定了坚实的基础 1 3论文内容 本论文主要内容安捧如下；第二章主要介绍电子元器件低频噪声测试方法， 包括对器件噪声分析时使用的数学知识，电子元器件低频噪声的特点及分类第 三章主要描述中低阻器件噪声测试系统方案设计与系统实现。第四章通过实验对 测量系统进行技术验证，并且描述了该系统在金属互连样品和低阻值厚膜电阻样 品噪声测量实验中的实际应用。第五章是论文总结。 第二章电子元器件低频噪声测试方法 第二章电子元器件低频噪声测试方法 本章阐述电子元器件低频噪声测试所必备的一些基础知识，主要介绍了电子 元器件低频噪声分类，给出了器件噪声各种表征参数的定义及相互关系。 2 1电子元器件低频噪声检测技术基础 2 1 1电子元器件低频噪声分类与表征参数 2 1 1 1 电子元器件低频噪声分类 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机构的不同来分类的嗍，可分为热噪 声，散粒噪声，g i r 噪声和蟛噪声四大类，如图2 1 所示 丰导体嚣件 低顿噪声 ( 有色唆声) g - r 噪声 i f 噪声 r 约翰逊噪声 l 扩散噪声 r 低频散粒噪声 1 l 高频敢粒噪声 芒 仁：声 图幺1 电子器件低频噪声分类 一般的频率范围内，热噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为自 噪声l ，噪声和g - r 噪声则与频率有关，前者与频率成反比，后者则按五了b 万 声 声 嚷 嗓 粒 热 敌 、-一， 声囔白 4 中低阻样品噪声测试技术研究 规律变化( 其中而为转折频率) ，这两种噪声统称为有色噪声由于这两种噪声通 常在低频情况下比较显著，也称为低频噪声。 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之 中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存在； 散粒噪声、分r 噪声和1 矿噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或电压 消失，这些噪声也就不复存在 散粒噪声起源于载流予跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金一半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪 声。热噪声和散粒噪声是由器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底 消除的，而g - r 噪声和1 矿噪声在很大程度上是器件的杂质与缺陷引起的 1 0 - 切。从 这个意义上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 2 1 1 2 电子元器件低频噪声表征参数 电子元器件的低频噪声通常由白噪声，1 矿噪声和g - r 噪声三种分量构成。其 功率谱密度可写成为【1 0 】： j s ( r ) - a + s 1 7 + c 饱+ ( r l l o yj ( 2 1 ) 共有六个表征参数，即白噪声的幅度a ，1 缪噪声的幅度b 和频率指数因子y ， g - r 噪声的幅度c ，转折频率矗和指数因子口。不同的噪声分量以及各个分量的不 同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。因 此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数的 值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 与热噪声，散粒噪声和g - f 噪声相比较，1 矿噪声研究有着更为重要的学术意 义和更大的应用价值。从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现 象均可称为1 矿噪声图2 2 便是一典型的l 矿噪声功率谱图。 第二章电子元器件低频噪声测试方法 5 i 啪t _ p 飞九 口 。 巴10 u - i i 矗 蚝 l 静 莩i m - l - 1 ij 霄 1 确k i_ - i 呻 ” i i a - i f 坩l m1 0 0 囊率( 皿) ： 圈2 2 典型l 矿噪声功率谱圈 1 ，噪声具有两个基本特征： ( 1 在一个相当宽的频率范围内，1 矿噪声的功率谱密度与频率成反比 ( 2 ) 1 矿噪声电压或电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。 1 噪声主要有表面载流予数涨落模型和迁移率涨落模型两种i 坷。大量实验表 明，半导体器件的表面状态对其埘噪声有关键影响。1 9 5 7 年，迈克霍特 ( m c w h o r l c r ) 提出了表面载流子数涨落模型1 1 2 1 ，对半导体的w 噪声的起因首次 作了解释，他认为这种涨落是由半导体导带或价带的载流子通过隧道贯穿与表面 氧化层中的陷阱相互作用引起的。位于半导体氧化物界面附近几个纳米范围内的 氧化层中的陷阱与半导体内交换载流子的时间常数，可在一个相当宽的频率范围 内分布。已测得的范围达1 0 r 6 至1 0 5 秒，这个范围正好与观测到的1 ，噪声的频率 范围o 兰1 0 r 6 h 扣1 0 5 i k ) 相一致。氧化层陷阱可与半导体体内交换载流子，直接引起 半导体导带电子或价带空穴的涨落。1 9 6 9 年胡格总结了对于各种金属和半导体电 阻中l ，噪声的测量结果，提出了一个著名的经验公式： 掣掣。堕 ( 2 2 ) l 2 鼯 倒 、一 称为胡格公式。式中，是通过样品的电流：r 是样品的电阻；是样品中的 载流子总数：口嘧一，- ( ，) ，是由迁移率涨落决定的。在分别用体迁移率涨 落模型和表面载流子数涨落模型对许多具体材料和元器件进行计算，并与实测特 性相比较后，大家倾向于这样认为：通常这两种机构同时存在，究竟哪一种机构 占主导地位，必须用实验来确定。不过，在大多数情况下，只有通过改变器件结 构或改善表面状况，使表面载流子数涨落引起的w 噪声降低到可以忽略的程度 6 中低阻样品噪声测试技术研究 以后，迁移率涨落才成为l 矿噪声的主导机构。 电子元器件中1 矿噪声电压的功率谱密度可写成以下形式【叫： s ，( ，) - , 4 1 4 f 7 ( 2 - 3 ) 式中，j 为通过器件的电流，为频率，参数4 由器件结构特性决定；常数 m o 8 - - i 2 ，典型值为1 o ；声= 2 0 ( 均匀材料) 或1 0 - 2 0 ( 结构较复杂的器件) 经典的 方法用功率谱密度和y 指数表征信号。前者反映了信号的能量，后者反映了信号 的频率特性和分形性质。 2 1 2 电子元器件低频噪声检测基本原理 电子元器件低频噪声的测试就是通过一定的电应力使器件工作在特定电路 中，所谓电应力可以是直流电应力，也可以是交流电应力。然后通过一定的方法 ( 可以是通过电容的交流耦合方式，也可以是通过电桥平恒提取方式) 将噪声序 列o v ( o 从器件工作电路中提取出来，对此序列进行放大、采集，最后利用频谱仪 或虚拟仪器对所得序列进行时域和频域分析。通常我们用其功率谱密度函数 瓯( ，) ( 表征其在频率厂附近单位频宽内起伏量v 的均方值) 来表征噪声。因为电 子元器件低频噪声序列大部分为平稳随机序列对于平稳随机序列，功率谱密度 函数鼠( ，) 可以通过对噪声序列自相关函数的傅利叶变换得到。图2 3 为一个典型 的电导噪声信号的时闻序列，因为对于平稳随机序列其时间平均值可以用统计平 均值来代替，所以其自相关函数 岔 一 避 口 蕾 群 对于平稳随机序列 图2 3薄膜电阻噪声时问序列图 r ( f ，f ) - e ( x ( t ) x ( t + f ) ) ( 2 - 4 ) 足( f ，f ) - 足0 ) ( 2 - 5 ) 第二章电子元器件低频噪声测试方法 7 噪声信号功率谱通过自相关函数傅利叶变换得到 最( ，) 一，二足p 矽“7 咖( 2 - 0 3 ，一 图2 4 为通过上述计算所锝对应功率谱密度波形，谱图是以双对数坐标给出 的，从中能够看出信号强度与频率的近似反比关系。通过功率谱图可以提取电子 元器件噪声的具体参数 图2 4 典型l 矿噪声功率谮图 2 2电子元器件低频噪声测试方法 这里，根据对电压变化量时间函数o ) 的不同测量提取方式而对电子元器件 低频噪声测试方式进行分类 2 2 1 直流偏置测量技术 图2 - 5 为一种简单实用的直流偏置噪声测量系统l q ，图中样品由低噪声电池 组供电，耦合电容将样品噪声序列y o ) 送至低噪声前置放大器中，经过数据采集 卡采集，利用计算机虚拟仪器对噪声序列进行处理获得噪声序列的自相关函数 r ) 和功率谱密度s ( ，) 。这种方式简单且易于实现实验中，整个系统应被放 入屏蔽室中以保证噪声测量不受外界的电磁干扰影响 寡驻#*l 8 中低阻样品噪声测试技术研究 广1 一 瓿疃一蔷 ! l r 繁槐惶捧披 嚣毪堙采缝 幕牲拳 i ：卜 壤辩弱嚣蝙驽电赫 唾声譬列救太艟蝰理最鲢 图2 5简单直流偏置噪声测量系统 通过采用低噪声电池组，低噪声金属线绕电阻，充分的焊接以降低偏置电路 其它元件产生的噪声对样品噪声测量的影响；通过选择合适的偏置电流、测试环 境温度、低噪声前置放大器等等，如果需要也可以增加阻抗匹配变压器以便可以 较高的精度测量电子元器件低频噪声。这种简单的直流偏置噪声测量技术具有以 下几个缺点，当用来测量阻值比较小的电子元器件噪声时这些缺点尤为突出1 1 4 】： 1 、电池组噪声直接加到样品噪声序列中。 2 、电子元件低频噪声测试的最低频率受到耦合电容c 和低噪声前置放大器 输入阻抗r 组成的瓦c 滤波器最低导通频率限制。 3 、噪声测试的灵敏度受到背景噪声( 在低频范围内主要由前置放大器背景噪 声组成) 置，( 厂) 最小值限制，鼠( ，) 远大于器件热噪声幅度。 虽然简单的直流偏置噪声测量方法具有以上几个缺点，但是因为其简单易操 作性，当电子元器件噪声较大( & ( r ) 土1 0 1 7v 2 正k ) 时都采用这一方法l 堋。 2 。2 2 交流偏置测量技术 当电子元器件噪声特别小( ( ，) 墨1 0 。1 7 v 2 m ) 时，因为此时电子元器件噪声 与前置放大器背景噪声处于同一数量级，而传统直流偏置方法对于放大器背景噪 声不易去除。为了准确得到电子元器件低频噪声，人们不得不研究其它测量技术， 正是在这种背景下交流偏置测试方法被提出。直流偏置电路的很多缺点在交流偏 置时就不复存在，比如说噪声测试的灵敏度就不会再受到背景噪声只( ，) 最小值 限制川。交流偏置电路测试系统中，通过适当的选择锁相放大器的载波频率，使 得系统( 放大器) 在具有非常低噪声的情况下进行噪声测试；锁相放大器能同时 记录背景噪声信号和总信号，通过二者相减，可以准确得到样品的实时噪声信号 【2 l 。 图2 6 为一种5 探针交流电桥测试方法示意图样品中心接地，被测样品被 分成大致相等的两部分，这两部分组成了交流电桥下面的桥臂，低噪声绕线电阻 第二章电子元器件低频噪声测试方法 9 组成了交流电桥上面两个桥臂。上臂阻抗的选择要远远大于样品的阻抗，这样通 过样品的电流就取决于绕线电阻的阻抗。通过调节可调低噪声的小电容，使得电 桥的两边电流相位和幅度相同，这时进入放大器的信号就只有样品上的噪声信号， 噪声信号通过样品两端4 个探针中的两个进入放大器( 对于较低阻抗样品 r c i o o q 需要增加低噪声变压器) 这种平衡下，进入放大器的信号只有电导涨 落的信号这种5 探针技术降低了温度漂移对噪声的影响，因为温度漂移量在样 品两端相同，这样当载波频率为放大器最佳工作频率f o ( 此时放大器的噪声非常 小) 时噪声谱可以出现在fs l o m h z 的低频状况下，因此可以探求大约l m h z 左 右的功率谱。 图2 6一种五探针交流测试方法示意图 交流偏置测试方法的简单流程：锁相放大器产生具有较低噪声的频率为厶 ( 此频率的选择取决于前置放大器最佳工作频率) 的交流信号，通过电桥平衡， 样品噪声信号( 经阻抗匹配变压器、前置放大器后) 进入锁相放大器，锁相放大 器输出信号进入频谱分析仪或经数据采集卡采集进入计算机利用软件进行处理。 锁相放大器的输出信号的功率谱如( 2 7 ) 式所示 罗，( ，6 ) - 0 , 2 i s , o ( ，o 一，) + ( j ，2 坶( ，) c o s 2 ) 】( 2 - 7 ) 其中，影o ( ，o 一，) 为背景噪声功率谱，l 。为偏置电流有效值，兀为偏置电 流频率，为噪声信号频率，s ，( 厂) 为电阻涨落功率谱，6 为输入锁相放大器电 中低阻样品噪声测试技术研究 压函数相位角，品( ，) 一。2 s ( ，) 就是样品的电压噪声功率谱。如果前置放大器 噪声或其它噪声较低或可以准确的估算和去除，j h s o n 噪声( s o 。4 k 。豫2 1 ) 就 是低频背景噪声的主要成分。因为样品被分为相同的两部分，分别作为交流电桥 的两臂，而这两个桥臂上j h s o n 噪声大小近似相等，因而通过电桥平衡的方式 提取样品噪声时样品上的j h s o n 噪声被抵消所以通过上述5 探针技术可以比 较有效的减少j h s o n 噪声的影响。 当6 - o 时，罗。，( ，o ) m 0 2 品o + 昂( ，) ，锁相放大器输出信号包含了样品噪 声和背景噪声；当6 一要时，( ，要) g 0 2 一妒，锁相放大器输出信号仅包含 一 了背景噪声这样通过对两次相位角下噪声功率谱值相减，我们可以准确地得到 样品的噪声 这种低频噪声的交流电桥测试方式虽然可以有效的消除背景噪声甚至热噪 声( j h s o n 噪声) 对样品噪声的影响，几乎没有干扰地测量出电子元器件的低频 噪声，但是因为要在电桥平衡的情况下进行，而要使电桥完全平衡并不是件很容 易的事，加上要通过探针将样品电阻平分也比较困难，所以在一般的情况下，只 要样品噪声不是特别低，都不采用这种方法进行噪声测量实验 2 2 3 交流加直流偏置测量技术 通过上一节可以知道，当样品噪声非常小时噪声测试应该采用交流偏置测量 技术测量样品噪声但是有很多时候样品噪声的测试又必须要在加直流电流应力 的条件下测试噪声，例如要观察电迁移现象时样品噪声的测量，在非线性传导系 统中，为了得到所需特性通常需要测量不同电流值时的样品噪声。对于上述情况 如何能保证噪声测量的准确性? 于是在直流偏置的基础上应用交流偏置技术的测 量方法被提出图2 7 为一种直流偏置下应用交流偏置测试噪声技术示意图。 第二章电子元器件低频噪声测试方法 1 1 p r e a m p l i f i e r 圈2 7直流偏置应用交流偏置测试技术示意图 图中的电容和电感用来减弱交流和直流源的震波，防止直流信号进入前置放 大器这里必须确保电容和电感器没有影响放大器的增益和相位，没有给功率谱 带入额外信号事实上这种影响也是不存在的i 堋，通过在室温环境，对比在仅有 交流偏置的情况下对金属薄膜的测量数据及利用电容和电感都存在和都不 存在的情况下测量数据就可以确定在所有情况下，测量的数据都基本相同如下 图所示： 中低阻样品噪声测试技术研究 霄 罨 艺 o l 图2 8不同情况下测试所得噪声序列 2 3电子元器件低频噪声测量系统实现原则 对于一个特定的电子元器件，应该如何考虑并设定其低频噪声测试方案呢， 下面给出几条设计原则： ( 1 ) 分析待测电子元器件工作参数，这是噪声铡试方案设计首先要进行的一 步，也是噪声测试方案设计极为重要的一步，只有了解电子元器件工作参数，才 有可能搭建合适的偏置电路。 ( 2 ) 分析与初步测定待测电子元器件低频噪声幅度大小。 ( 3 ) 考虑是否需要解决阻抗匹配问题。 “) 放大系统背景噪声测试。 ( 5 ) 根据现有实验设备确定噪声测试方案。 ( 6 ) 实验方案确定后必须对噪声测量结果是否为所求器件噪声进行分析 第三章中低阻样品噪声测量方案设计与系统实现 第三章中低阻器件噪声测量方案设计与系统实现 中低阻器件低频噪声测量中由予阻抗及噪声幅度的特殊性，需要特殊的测试 系统来保证噪声测试的正确性及可信度本章通过对中低阻器件阻抗及噪声幅度 特性的分析，提出了新的测试系统方案。并详细说明了其系统实现及应用规范。 3 1 1 阻抗特性 3 1中低阻器件噪声测量特点 中低阻器件是指阻抗小于1 0 0 q 的各类电子元器件。该类器件在噪声测试中 一个最重要的特点是被测样品的阻抗一般都比较小，由此引入的问题是测试系统 选择时须考虑测试系统的背景噪声影响样品极小的阻抗匹配输入阻抗极大的放 大器，将使得放大器噪声系数增大，信号传递过程中的信噪比恶化更为严重( 具 体讨论见3 2 1 1 节) 其结果就是放大器的背景噪声增大这样一来，测量过程 中样品上较小的噪声信号很容易被放大器背景噪声淹没，某些微弱信号甚至无法 测量或者得到错误的测量结果。 以金属互连样品为例。金属互连样品作为典型的中低阻样品，其阻抗一般在 5 0 q 左右相对于常用的低噪声前置放大器p a r c1 1 3 的输入阻抗1 0 0 m q 来说， 将会使放大器噪声系数增大到4 0 d b ，信号传递过程中的信噪比恶化极为严重，放 大器呈现很大的背景噪声如此一来，无法实现对于金属互连样品噪声信号的准 确测量。 因此，对于中低阻样品噪声信号测量，只有选择合适的放大系统输入阻抗， 以合理的阻抗匹配降低放大器噪声系数，提高信号传输信嗓比，才能保证系统具 有很低的背景噪声，对于样品上微弱的低频噪声信息才能实现准确测量 3 1 2 噪声幅度 在一些中低阻样品低频噪声测量实验中，样品在实验的各个不同阶段的噪声 幅度是不同的一般来说，老化实验中，老化前样品由于内部缺陷较少，所以呈 现很小的低频噪声等级，老化过程中噪声幅度会逐渐增大但是在老化间隙的空 档时间，器件退火会导致积累的缺陷数目的短暂减少，相应的器件也会出现噪声 幅度减小的现象。在其他的过程实验如辐照实验中也会出现类似的情况其他情 1 4 中低阻样品噪声测试技术研究 况下的实验都可以看作这两类实验的某个阶段来考虑。 在实际应用中，器件工作时低频噪声幅度大小与器件的工作环境( 工作电压 电流、散热等) ，投入使用时间长短等因素密切相关。工作电压电流越小，散热 环境越好，投入使用时间越短，器件中低频噪声幅度就越小。反之亦然。 由于制作电阻的材料不同，电阻中导电微粒的不连续性大小就会存在差异。 因此，同样阻值不同材料的电阻。其噪声大小也是不相同的对于中低阻电阻样 品噪声测量，材料之间的差异导致的噪声幅度的不同也是需要考虑的因素之一 通常我们使用噪声系数n i ( 定义为一个电阻两端每一伏特的直流电压降在十倍频 程内产生的均方根噪声电压( “v ) 值，用d b 表示) 来衡量不同材料的电阻过剩 噪声的大小图3 1 为各种常用电阻器的噪声系数。由图可以看出，绕线电阻和 金属膜电阻的噪声相对较小。 图3 1各种电阻器的噪声系数 要实现对中低阻器件的低频噪声信号的准确测量，我们需要有相应的噪声测 试系统提供满足要求的测量精度。无论是对于处于初始状态或刚开始投入使用的 器件，还是对于具有很小的噪声系数的电阻样品，对于样品极小的噪声幅度，提 供足够高的系统测量精度是实现样品中噪声信号的准确测量的关键。 3 2中低阻器件噪声测量方案设计 3 2 1 影响因素考虑 3 2 1 1 背景噪声 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，背景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。完 整的测试系统背景噪声包括放大系统背景噪声，采集和信号处理模块背景噪声 将所有噪声折算到与测量样品直接相连的信号输入端作为整个系统的背景噪声 第三章中低阻样品噪声测量方案设计与系统实现 折算后的背景噪声主要以放大系统的背景噪声占主导地位 一个放大系统的噪声性能好坏，不仅是看内部噪声源的大小及性质，更主