（凝聚态物理专业论文）ntc型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究.pdf

捅要 摘要 现代科学技术的快速发展为红外探测器的广阔应用提供了技术支撑，高性能 红外探测器层出不穷。负温度系数( n t c ) 热敏电阻型是国内外地球卫星姿态控 制系统用主要红外探测器类型之一，也是该系统的核心元器件，其性能对整个卫 星姿态控制系统影响重大。出于技术保密和国家战略要求，国外对该类器件均实 行技术封锁，国内自研的该类红外探测器尽管在实际星用系统中得到广泛应用， 但低频噪声等关键参数仍然是限制地球敏感信号检测接收，进而影响系统灵敏度 和可靠性的关键因素。因此对n t c 型红外探测器的低频噪声进行深入研究，建立 红外探测器可靠性的低频噪声表征方法，具有重大的实际意义。 本文首先在研究红外探测器工作原理和应用系统的基础上，深入分析了n t c 型红外探测器各失效模式及失效机理。针对本文研究对象，实验结果表明，低频 噪声增大及电压峰峰值随机增加是其主要失效模式。其次，研究红外探测器低频 噪声测试方法，建立低频噪声电路，编制对应的噪声测试分析软件系统。典型红 外探测器噪声测试结果( 包括背景噪声、热噪声、主片噪声、补片噪声以及总噪 声) 表明，本系统能准确测试并分析n t c 型红外探测器低频噪声及其特征参数。 第三，基于上述理论研究和测试系统，完成了红外探测器多次高低温老化试验及 其试验结果对比分析，老化前后元件交流参数( 电压峰峰值) 和低频噪声参数( 热 噪声幅值、l f 噪声幅值、转折频率、功率谱密度、宽带热噪声、宽带总噪声和噪 声系数) 的变化趋势表明：随这老化循环次数的增加，l f 噪声幅值与转折频率明 显增加。第四，深入研究了红外探测器导电特性及其物理机制，建立了其常规电 参数定量模型；详细研究了红外探测器低频噪声种类及产生机理，建立了该类元 件各种低频噪声物理模型；基于上述实验结果和理论研究，建立红外探测器电参 数与噪声参数的关联模型，构建了其可靠性的低频噪声敏感表征参量，给出了其 可靠性的低频噪声表征方法。 本文的完成为本人日后的工作和学习打下了一个较为良好的基础。事实上， 红外探测器可靠性低频噪声表征技术的研究仍需要深入探索，本人在今后的工作 学习中仍然需要不断学习和积累经验。 关键词：n 亿型红外探测器低频噪声模型电特性模型可靠性表征 a b s t r a c t _ _ _ 一 a bs t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c e 锄dt e c h n o l o g yh a se s t a b l i s h e dag o o d f o u n d a t i o nf o rab r o a d 印p l i c a t i o no fm 删d e t e c t o r s ，h i 曲p e 怕n n 锄c ei n f 衙e d d e t e c t o ri s 蚯e ra 1 1 0 吐l e r a th o m ea n da b r o a dn e g a t i v et e m p e 咖c o e 硒c i e n t ( n t c ) 邯et l l e r m i s t o re a r ms a t e l l i t ea n i t u d ec o n t r o ls y s t e m si s o n eo ft h em a i nt y p e so f i 芏l = 丘粥dd e t e c t o r s ，i sa l s 0m ec o r eo f 也es y s t e mc o m p o n e n _ t s ，i t sp e r f o r n l a n c eh a sm 勾o r i i i l p 砌f o rn l es a l e l l i t ea n i t u d ec o n 仃o ls y s t e m b e c a u s eo fc o n f i d e n t i a l i t ) ra n dn a t i o n a l 蛐西e s 五w 白e c h i i l i c a lr e q u i i e m e n t s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ff o r e i g nf o rt h a tt y p eo f d e v i c ea r et c c h n o l o 西c a jb l o c k a d e ，i n t e m a ls e l f d e v e l o p m e n to fs u c hi n f 渤r e dd e t e c t o r s 甜t h o u 出t h ea c t l 蛆ls t a ro fs y s t e m sh a sb e e nw i d e i yu s e d ，b u tt h el o w - 矗e q u e n c yn o i s e 锄do 也e rk e yp a r a m e t e r s0 f 也ee a m li ss t i l l s e n s i t i v es i g n a ld e t e c t i o nl i m h 妇 砌i v i n g ，t 1 1 e r e b ya 位c t i n gs y s t e ms e i l s i t i v 时锄dr e l i a b i l i 够o f t 1 1 ek e yf a c t o r s t h e r e f o r e ，n 1 t y l ) ei n f b r e dd e t e c t o r0 nt h el o w - f i r e q u e n c yn o i s ei n - d e p t hs t u d yt o e 嘲b l i s hm er e l i a b i l i 锣o fi r 渤嘣ad e t e c t o rl o w - f r e q u e n c yn o i s ec h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d h a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n j f i c a n c e f i 】随l y ，廿t sp a p e ri sb a s e do n 也ep r i n c i p l eo fi n f h r e dd e t e c t o r s ，a i l dt h ei n d e p t h 锄a l v s i so fv a r i o u sf 撕l u r em o d e so ft h en t c b a s e di n l j r a r e dd e t e c t o r si s d o n e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 也ei n c r e a s i n go fl o w f - r e q u e n c yn o i s ea n dt h ev o i t a g e p e a l ( p e a l ( 舳d o mi sm em a i n 硒l u r em o d e s e c o n d l y ，l o w - f r e q u e n c yn o i s ec i r c u i t i s b u i l t 锄dn o i s ec o l l e c t i o na n da n a l y s i ss o 厅w a r es y s t e mi sm o d i f i e d a 够p i c a jn o i s e t e s t r e s u l t so fi n 丘盯e dd e t e c t o r ( i n c l u d i n gb a c k 酽o u n dn o i s et h e m a ln o i s e ，t _ h em a j np i e c e n o i s e ，m en o i s ep a t c h e s 卸dt 1 1 et o t a ln o i s e ) ，s h o wt l l a t t h es y s t e mc a u la c c u r a t e l y m e a l s u r et 1 1 el o w 厅e q u e n c yn o i s eo fn t c - b l ，p ei n f 函e dd e t e c t o r ，a 1 1 da n a l y z e 锄dt h e i r c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t l l i r d l y ，b a s e do nm et h e o r e t i c a ls t u d ya n d t e s ts y s t e m ，h i 曲 锄dl o wt e m p e r 狐玳a g i n gt e s to fi n 矗a r e dd e t e c t o r sa n dm er e 】婶a t e dc o m p 撕s o no f r e s u l t si sc o i n p le t | e d a cp 扰i i r i e t e r s ( v o l 切喀ep e a k p e a l 【) a n dl o w 一毹q u e n c yn o i s e p a r a m e t e r s ( n e 肌a ln o i s e 锄p l i t u d e ，1 fn o i s e 锄p l i t l l d e ，c o m e r 舶q u e n c y p o w e r s p e c n 试d e i l s i 饥b r o a d b a n dt h e m l a ln o i s e ，b r o a d b 锄dt o t a ln o i s ea n dn o i s ef i g u r e ) ， b e f o r e 锄da r e ra g i n i n d i c a t et h a t 州t ht h ei n c r e 筋i n go f t h en u m b e ro fa g i n gc y c l e ，l fn o i s e 锄p l i 砌ea i l dc o m e rf r e q u e n c ys i g l l i f i c a l l t l yi n c r e a s e f o u n h l y ，d e 印s t u d yo f 吐l ee l e c t r i c a lp r o p e n i e so fi 曲袱dd e t e c t o r sa i l di t sp h y s i c a lm e c h a l l i s mi sd o n e ，a n d 也eq 啪t i t a t i v em o d e lo fr e g u l a re l e c t r i c a lp a r a m e t e r si sb u i l t ad e t a i l e ds t u d yo ft h e i n 劬r e dd e t e c t o rt ) ，p e sa i l dp r o d u c t i o no fl o w 毹q u e n c yn o i s em e c h a n i s mi st ob u i l da a b s t r a c t v 耐e 妙o fl o w f e q u e n c yn o i s ep h y s i c a lm o d e l ；b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 锄dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h ee s t a b l i s h m e n to fi n f r a r e dd e t e c t o re i e c t c a lp a r a m e t e r sa n d n o i s ep a 舳e t e r sa s s o c i a t e dw i t hm o d e l s ，b u i l ti t s r e l i a b i l i t ) r c h a r a c t e r i z a t i o no f l o w - f r e q u e n c y n o i s e s e n s i t i v e p a r a m e t e r s ， t l l e n g i v e n t t l e r e l i a b i l i t y o ft 1 1 e l o w f 托q u e n c yn o i s ec h a r a c t e r i z a t i o nm e m o d t h ec o m p l e t i o no ft h i sw o r ki a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h em r t h e rr e s e a r c h 锄d a p p l i c a t i o n i l lf a c t ，m el o w - f e q u e n c yn o i s er e l i a b i l i t ) ，c h a r a c t e r i z a t i o no fi n 危矾刃 d e t e c t o r s ，s t i un e e d si n - d 印t hi m p r 0 v e m e n tt og a i nt h eb e t t e re a e c t k e y w o r d s ：n t c - t y p ei n f r a r e dd e t e c t o r l o w - f h q u e n c yn o i s em o d e i e i e c t r i c a ic h a r a c t e r i s t i c sm o d e l r e i i a b i i i 时c h a r a c t e r i z a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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 做的任何贡献均已在论文中作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：日期- 型! ：兰：尘 关于使用授权的声明 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) 本人签名： 导师签名： 日期：型! ：主：! 日期：型! 二：幺 第一章绪论 第一章绪论 本章首先分析了n t c 型红外探测器在当今航天领域的重要性及其面临的可靠 性问题和研究方法。然后，探讨了红外探测器可靠性在国内外的研究进展情况以 及噪声用于表征其可靠性的进展情况。最后，针对上述存在的问题，提出本课题 所要研究内容与解决方案。 1 1 研究背景 红外探测技术在2 0 世纪获得了巨大的发展，其在空间遥感，军事，民用中的 作用越来越大。红外探测器是红外地球敏感器的核心光电转换器件。如今已经成 为卫星上不可缺少的光电姿态敏感器。目前，国内外地球卫星姿态控制用红外探 测器具有负温度系数，属于n t c ( 负温度系数) 型。 n t c 型红外探测器的一个重要应用就是作为各种空间系统的核心，这些功能 都要求器件在太空中才能完成工作。而在太空中涉及真空、高温、低温、太阳辐 射引起的循环温度场、微流星与空间碎片、原子氧、粒子的辐射及微重力等因素。 这些环境因素往往对元器件的材料性能产生多种有害的作用。例如，探测器在空 间服役期间，反复进出地球的阴影，其表面的温度随轨道的高度有较大的变化。 长期的经受这种热循环作用这种组织损伤就会不断积累，最终导致材料发生蠕变、 几何尺寸变化、热疲劳、裂纹等【lj 。这就使得研究在真空高低温环境下红外探测器 功能特性会有哪些改变，具有相当重要的实际意义。 国内外大量的研究结果表明【2 l ，低频噪声是电子元件可靠性表征的灵敏方法， 目前有关电子元件低频噪声可靠性表征技术研究是一个非常活跃的领域。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普遍适用性、高 度灵敏性、非破坏性以及检测速度较快等优点。越来越多的研究结果表明，对于 大多数电子器件，产生过剩噪声的缺陷与导致器件失效的缺陷是相同的，而且由 这些缺陷的存在及其数量变化所造成的噪声的变化要比常规电参数的变化大得 多。因此，噪声可以作为电子器件可靠性的一个灵敏无损的表征手段。对于具有 不同结构的器件，噪声的来源以及它所对应的潜在缺陷和失效模式可能完全不同， 但是噪声大的器件总是可靠性差，故噪声测试尤其适合作为可靠性筛选或分选的手 段。目前认为探测器的噪声分为热噪声，散粒噪声，g r 噪声和l f 噪声。热噪声 和散粒噪声均为白噪声，和频率没有直接关系；g r 噪声与器件的质量有关，没有 缺陷的器件的g - r 噪声可认为很小，测量时可忽略不计：而l f 噪声是红外探测器 的主要低频噪声，当频率很低时，1 f 噪声是影响器件可靠性的主要因素，当频率 2 n t 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 高于一定的频率( 转折频率时) ，相对于其他噪声，可忽略不计。所以，测量与分 析红外探测器的低频l f 噪声可以了解探测器的表面处理状况，通过对l f 噪声与 器件的i v 关系特性的研究，有助于改善工艺，尽可能地降低1 f 噪声转变为白噪 声的转折频率，提高探测器的性能。但目前与前三种噪声相比，1 f 噪声理论尚未 成熟。由于l f 噪声与器件的可靠性和质量有直接关系，减少l f 噪声可以提高红 外焦平面系统的灵敏度，同时，低频噪声的测量有助于低噪声器件和半导体器件 噪声机理的研究，半导体内部缺陷的诊断和器件可靠性的评估，因此，对1 f 噪声 的研究有着更为重要的学术意义和更大的实用价值。 综上所述，准确测量并准确分析n t c 型红外探测器的低频噪声，并将其噪声 用于可靠性的表征，将是对该类器件现有传统筛选方法的有效补充。 1 2 国内外相关研究概况 目前国内外对于红外探测器往往是运用常规的检测方法来研究其可靠性【3 l 。通 常都是通过可靠性试验、加速寿命试验和抽样等方法来进行的。这样的方法试验 周期较长，由于它是针对从大批器件中随机抽样得到的少数器件进行的，获得的 是统计结果，具有一定的不确定性，还可能对探测器造成损伤，成为新的潜在缺 陷。 目前为止，国内外对于通过无损检测来表征热敏电阻红外探测器的研究也仅 有以下几个方面： 1 ) 噪声可以用于研究探测器中的杂质和缺陷 半导体中多维缺陷( 位错、堆垛层错等) 的存在不仅会加剧l f 噪声，而且会 引入一种更为有害的噪声，即猝发( b 暇) 噪声。这种噪声也呈g r 谱，但它的 随机脉冲的瞬时幅度常常比l f 噪声波形的幅度大得多。在红外探测器中也发现有 猝发噪声，其形成机构目前还不十分清楚，但很可能来自被重金属杂质缀饰的位 错或晶粒间界【4 1 。位错线或晶粒间界常在器件有源区形成一个势垒，器件的电导与 势垒高度呈指数关系。缺陷态上少量电荷的涨落通过改变势垒高度，便会引起器 件电导的剧烈变化，从而形成猝发噪声。猝发噪声的存在与否已被公认为是器件 是否可靠的判据之一。 2 ) 噪声可以用于研究探测器各个界面间的接触添加情况 红外探测器工作在低温下的时候，电极部分往往出现“断裂”、“脱接 等 接触不良的现象。这种接触不良也是l f 噪声的一个重要来源【5 】。如果光刻的图形 边缘不齐整或有毛刺，会导致电流密度分布不均匀，引人额外的噪声，故噪声可 以作为这种工艺质量的检测手段。 3 ) 噪声可以用于研究探测器的表面或界面陷阱 第一章绪论 3 在材料和结构参数相当的条件下，表面或界面陷阱引起的噪声要比体内陷阱 引起的噪声大若干个数量级。由于氧化层陷阱是l f 噪声的一个直接来源，氧化层 陷阱密度与l f 噪声谱密度成正比，所以用l f 噪声测量获得氧化层陷阱定量信息 几乎是目前唯一有效手段。基于界面陷阱诱生噪声的隧穿模型或热激活模型，通 过测量器件l f 噪声幅度及其温度特性，可以确定陷阱的禁带内的能级分布和在界 面附近氧化层内的空间分布1 6 j 。 4 ) 噪声可以用于研究探测器的应力损伤 对于探测器，来自外界或内部形成的过应力给器件带来的损伤，会使噪声激 增。1 f 噪声测量己被用于研究热电子注入引起的界面能级与氧化层电荷，成为检 测热电子损伤的有用工具【7 】几乎所有类型的电离辐照都会产生过剩的噪声。实验发 现，y 辐照诱生的陷阱与引起器件l f 噪声的陷阱相同i 引，x 射线增强了器件的表 面复合从而使其1 f 噪声上升【9 】。由于噪声对离子注入损伤的敏感性，它已被作为 一种判据来选择合适的注入后退火时间和退火温度。 综上所述，将噪声作为红外探测器可靠性灵敏表征工具具有非常重要的现实 意义。然而在实际中还需要解决一些问题，例如怎样确定n t c 型红外探测器的电 学模型与噪声模型之间关系，从而更准确的分析其电学参量与噪声参量之间的关 系。另外在处理器件老化损伤以及参数提取方面还需要有进一步的工作。 1 3 课题研究内容及论文结构 为解决上述问题，本文依据缺陷形成模型、材料与器件相结合的热老化效应 研究方法，对n t c 型红外探测器的低频噪声进行深入研究，全文共分为六章，结 构如下。 第二章在研究红外探测器工作原理和应用系统的基础上，深入分析了n t c 型 红外探测器各失效模式及失效机理。针对本文研究对象，分析实验结果，探究红 外探测器在热老化条件下的主要失效模式。 第三章分析了红外探测器中热噪声、散粒噪声、g r 噪声和l f 噪声的基本特 性。然后，综合分析了红外探测器中的低频噪声产生机理并详细说明低频噪声相 关参数的定义。最后，分别探讨红外探测器中最主要的两种低频噪声数学模型。 第四章研究了红外探测器低频噪声测试方法，建立了低频噪声电路，编制对 应的噪声测试分析软件系统。通过分析典型红外探测器噪声测试结果( 包括背景 噪声、热噪声、主片噪声、补片噪声以及总噪声) 论证了本系统能准确测试并分 析n t c 型红外探测器低频噪声及其特征参数并且可用于红外探测器低频噪声退化 源的甄别。 第五章基于前四章的理论研究和测试系统，完成了红外探测器多次高低温老 4 n t c 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 化试验及其试验结果对比分析。深入研究了红外探测器导电特性及其物理机制， 建立了其常规电学参数模型；详细研究了红外探测器低频噪声种类及产生机理， 建立了该类器件各种低频噪声模型；基于上述实验结果和理论研究，建立红外探 测器电参数与噪声参数的关联模型，构建了其可靠性的低频噪声敏感表征参量， 给出了其可靠性的低频噪声表征方法。 第六章简要地总结了论文的研究工作及得到的主要结论，并展望下一步工作。 第二章红外探测器可靠性分析 第二章红外探测器可靠性分析 基于第一章所分析的红外探测器的研究背景与现阶段所存在的问题，可见对 于红外探测器的低频噪声表征技术的研究是十分迫切和必要的。因此，为了研究 红外探测器的低频噪声产生机制，就必须了解该类器件的基本结构和工作原理。 在此基础上，为了研究红外探测器可靠性的低频噪声表征方法，也就必须对探测 器的可靠性( 失效模式和失效机理) 进行深入研究。为此，本章首先探讨研究了 红外探测器的工作原理，其次，对红外探测器的失效模式进行深入分析，最后， 对失效模式所对应的失效机理进行了深入研究。 2 1 红外探测器工作原理 众所周知，所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，而环境温度附近 物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段( o 8 um 一1 0 0 0 i im ) 。可知，红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追 求的目标。将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件就是红外探测器。探 测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息并加以控制。 红外辐射与材料相作用会产生多种作用。根据红外辐射与材料产生的作用可 将红外探测器分为光电探测器和热探测器【l0 1 。 光电探测器是利用红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子( 电子或 空穴) ，引起电学性能的变化。光电探测器又可分成光导型探测器和光伏型探测 器两类。其中光导型探测器是利用入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁 带进入导带，并在价带中留下空穴，引起电导增加，这种电导为本征光电导。若 禁带中杂质能级激发光生载流子进入导带或价带，这种电导为杂质电导。光伏型 探测器是利用p - n 结的光生伏特效应，能量大于禁带宽度的红外光电子在结区及其 附近产生电子空穴对，结电场使空穴进入p 区，电子进入n 区，使两部分出现电 位差，外电路就有电压或电流信号。 热探测器是利用热辐射引起材料温度变换产生可度量的输出，热敏电阻辐射 热探测器是其中重要的一类。下面针对该类元件结构与工艺阐述其工作原理。 热敏电阻辐射热探测器的核心是热敏电阻，是一种阻值随温度的变化而发生 显著变化的敏感元件，它可将温度的变化直接转换为电量，周围温度或电流通过 热敏电阻而导致的自热均可改变其温度，进而改变其阻值。热敏电阻分为正温度 系数热敏电阻器( p t c ) 、负温度系数热敏电阻器( n t c ) 和临界热敏电阻器( c t r ) 。 其中，在工作温度范围内，电阻值随温度的上升而增大的电阻器成为正温度系数 6n t c 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 热敏电阻器：相反，则为负温度系数热敏电阻器，临界热敏电阻器在某一温度范 围内阻值随温度上升而急剧下降，这三种热敏电阻的电阻率随温度的变化的曲线 如图2 所示【1 0 1 。 莒 a 度厂c 图2 1 热敏电阻的电阻一温度曲线 本文主要研究负温度系数热敏电阻型红外探测器。以前通常在单晶半导体材 料中掺入不同类型和不同浓度的杂质，利用载流子浓度随温度升高而增加的原理， 可制成单晶负温度系数热敏电阻器。现在更多的负温度系数热敏电阻器通常由2 种或3 种金属氧化物组成，混合在类似流行的粘土中，并在高温炉内煅烧制成致 密的烧结陶瓷。氧连接金属往往会提供自由电子，陶瓷通常是极好的绝缘体。但 只有在理论上，当温度接近绝对零度时，热敏电阻型陶瓷才是这种情况。当温度 增加至较常见的范围时，热激发会抛出越来越多的自由电子，随着许多电子流过 陶瓷，有效阻值则降低。电阻随温度的变化极为灵敏。典型的变化为每摄氏度减 少7 至3 ，这时适合宽温度范围内使用的任何传感器来说是最灵敏的i l 。 热敏电阻辐射热探测器是利用热敏材料接受辐射功率引起温度上升从而使材 料电阻变化的原理做成的器件。这种元件经常采用薄膜状的电阻体，因此有时笼 统称为薄膜热敏电阻器。电阻体的材料有g e 、s i 等半导体，也有氧化物半导体， 这里我们所研究的探测器的电阻体的材料是各种氧化物的混合物，例如锰、铝、 铁、镍等的氧化物的混合物。衬底应具有良好的导热性能，如玻璃、陶瓷、蓝宝 石等。热敏电阻红外探测器的结构如图2 所示i i2 】： 第二章红外探测器可靠性分析 7 屯韫；隧 图2 2 热敏电阻红外探测器的结构 由热敏材料制成的厚度为0 0 1 m m 左右的薄片电阻体，粘合在具有导热能力的 绝缘衬底上。电阻体两端蒸发金电极，同外电路相连接。再把衬底同一热容量很 大，导热性能良好的金属基体连接。红外辐射通过探测窗口辐射到热敏元件上， 引起元件的电阻改变，在外电路便有信号输出。通常在热敏元件表面用发黑材料 进行表面黑化，目的是增强热敏元件对辐射的吸收能力。涂层要均匀且薄，否则 可能增大探测器的响应时间。 多数辐射热探测器有一个密封的金属外壳，外壳的顶端是电磁辐射能穿透的 窗口，窗口材料有g e p ，z n s ，i n s b 等。金属外壳内有两个热敏元件，一个是工作 元件，接受辐射，另一个是环境温度补偿用的元件，这两个元件应有相同的导热 参数，为了保证有相同的环境条件，两个元件应尽可能地靠近，否则补偿效果就 差些。补偿元件不能接受辐射，通常用硅橡胶灌封把它掩盖起来。红外探测器内 部结构如图2 所示。因为电路是完全对称结构，所以，当由于环境温度改变而不 是红外辐射引起电阻率变化时，对于理想器件来说，两个电阻的电阻值变化大小 是完全相同的，那么外电路无信号输出。故而，避免了因为环境温度改变引起的 误差。 n t c 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 图2 3 红外探测器内部结构 某些产品采用透镜浸没结构，可提高探测度。这是将热敏元件粘合到一个半 球的球面透镜的衬面上，形成光学接触，常用的透镜材料有g e ，s i 等。这种敏感 元件与光学透镜组成的组件称为浸没型探测器，如图所荆1 2 1 。 图2 4 浸没透镜型红外探测器 2 2 红外探测器失效模式 阻值超差漂移是n t c 型热敏电阻的基本失效模式，其定义为1 3 】 i 刈r l 8 ( 2 一1 ) n t c 热敏电阻失效均属于缓慢发生的各种物理变化与化学反应过程，因此， 可以确认n t c 型热敏电阻失效物理模型应属于反应速度论物理模型，根据此模型， 反映变化量的大小可以表示为1 1 4 】 妒( x ) = 鼢 ( 2 - 2 ) 式中，k 表示反应速率；，表示时间。 热敏电阻是航天电子设备中广泛使用的一种敏感元器件，由于其工艺复杂， 第二章红外探测器可靠性分析 9 国产成品可靠性较差，失效率高。相据电阻器工作能力被破坏的程度及特征，共 失效可分为以下两大类1 4 4 1 ： ( 1 ) 致命性失效：包括开路、短路及机械损伤等。 ( 2 ) 参数漂移失效：包括电阻值超差、其它电性能变坏等。 2 3 红外探测器失效机理 为了研究n t c 热敏电阻型红外探测器的可靠性，首先需要对上述主要失效模 式进行详细分析，结合国内外的研究结果，给出其失效机理。 ( 1 ) 致命性失效的失效机理分析 由于本文所研究的n t c 热敏电阻型红外探测器，属于薄膜电阻器。薄膜电阻 器是在陶瓷等绝缘基体上沉积一层连续导电膜层；在基体两端铆压上带有引线的 帽益，然后通过刻槽达到所需的阻值。所以，从制造工艺和其结构上分析其失效 机理，发现造成致命性失效的主要原因有以下几点： 引线与帽盖虚焊； 引线强度不够； 帽盖与基体尺寸配合欠佳； 瓷基体断裂； 腐蚀电解作用。 ( 2 ) 参数漂移失效的失效机理分析 根据式( 2 1 ) 可知，阻值超差漂移是n t c 型热敏电阻的基本失效模式，通常 将电阻值变化率超过8 作为其元件筛选标准，所以，分析这种基本失效模式的原 因，从而改善其制造工艺是十分有必要的。大量实验结果表明【1 ，4 4 1 ，造成其电参数 超差的主要原因可包括 电阻膜和基体受到污染； 帽盖与基休接触不好： 刻槽不干净( 不连续) ，槽呈锯齿形； 膜层与基体间附着力差、晶粒生长不好、膜层上有空洞 瓷基体疵病，凹凸不平，厚薄不均匀，有杂质，产生不规则热点； 密封性电阻器漏气： 引线氧化； 电阻膜氧化还原。 所以，n t c 热敏电阻型红外探测器随工作环境具体情况的不同，起主要作用 的失效机理一般有所不同，可能在某种情况下是这一两种因素起主要作用，在另 一种情况下，是另外几种因素起作用。 on t c 刊缸外探删器可靠性舶低频嗡卢表征技术研究 对于本研究对蒙( 航天某研究所提供) ，n t c 型红外探删器按照航天级可靠性筛 选合格后的测试结果如图25 所示，发现器件噪声电压超差导致整体探测电路1 作故障。而这些失效模式和失效机理在器件使用和研制单位尚束进行深入研究和 详细测试，为此本文将对n t c 型红外探测器噪声趣差这种失效模式与失效机理进 行研究。 瞄2j 航天研究所己火敛的盯c 型红外探删器交流参数 l 羽中最上面的曲线为主片电压纹波异常，中间的曲线为补片电压，最下面的 曲线为总纹波电压。山于红外探测器金属外壳内有两个热敏元件，一个是主片工 作元件，接受辐射，另一个是环境温度补偿用的补片工作元件。主片接受辐射， 将不町见的红外辐射转换成可测量的信号，补偿元件不能接受辐射，通常用硅橡 胶灌封把它掩盖起来，所以通常来说主片往往会先于补片失效。从圈25 巾也可以 看出主片电压纹波异常是导致总纹波电压异常的主要因素。因为测试已失效的红 外探测器的电参数的测试条件( 测试带宽) 与我们所用束测试的探测器噪卢参数 的测试条件( 噪声带宽) 相近，所以电参数的测试结果也一定程度反映了探测器 噪声的测试结果。测试结果显示，已失效的主片中的噪声相对于未失效的补片中 的噪声明显增大且主片中 i j 现显著的爆裂噪声。综上所述低频噪声增大及电压 峰一峰值随机增加是红外探测器的主要失效模式。 2 4 小结 本章首先在研究红外探测器工作原理和应用系统的基础卜，分析了探测器的 种类与上作方式。其次，深入分析其核心元件n t c 型热敏电阻的多种失效模式并 结合红外探测器工艺结构分析了不同失效模式所对应的失效机理。培后，针对本 文研究对象分析实验结果，说明低频噪声增大及电压峰一峰值随机增加是其主要失 效模式。 第三章n t 型红外探测器低频噪声研究 第三章n t c 型红外探测器低频噪声研究 基于第二章n t c 型红外探测器工艺结构、工作原理及可靠性分析，可见噪声 超差是其主要失效模式之一。为此，本章首先探讨研究了红外探测器的低频噪声 特性，其次，对红外探测器的低频噪声产生机理进行深入分析，最后，对深入研 究了红外探测器中典型的低频噪声模型。 3 1 红外探测器低频噪声特性分析 探测器是探测系统中能量转换的核心元件。实际探测器的最高性能水平往往 与其具体的噪声机构有关，由于一个实际探测器的性能既取决于它对外来损伤的 影响，又取决于它的固有噪声，前者在给定了损伤效率以后可以定量计算，而后 者则复杂得多，只有当探测器的工艺十分完备时，它才可以由某些确定的噪声机 构来估计，所以本节将着重讨论实际红外探测器的噪声机构，分析各低频噪声的 特性，这种讨论不仅有助于评价实际探测器的工艺水平和指出进一步提高的潜力， 而且有助于更好地使用探测器。 3 1 1 热噪声 不论是金属、半导体或其他材料组成的阻抗中，当其处于绝对零度以上的温 度中时，由于材料内部的热运动，导致内部自由电子或者载流子的随机运动，引 起了电流偏离平均值的涨落，电流的涨落必然在电阻的两端产生电压的涨落，由 此产生的噪声，称为热噪声( t l l e m a in o i s e ) 。又称为约翰逊噪声( j o h n s o nn o i s e ) 。 一块电阻为尺的导体，在温度为丁，带宽为厂时的热噪声可以用一个与尺相 串联的电压源晶表示，并服从关系式： 砰= 4 七豫厶厂 ( 3 1 ) 其功率谱密度为聊= 4 尺七r ，式中，r 是探测器的内阻，七为波耳兹曼常数，丁 为探测器的绝对温度。从上式中可以看出，热噪声与外加电压无关，只与温度和 电阻的阻值有关。由于白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，其 噪声功率谱密度与频率没有直接关系，所有频率的白噪声均具有相同的能量，在 通常的频率范围内，而热噪声的功率谱密度与频率无关，所以热噪声是白噪声。 若电阻器j j c ，及彤分别在温度乃及乃是并联，均方热噪声电压为【1 0 】： 霹= 4 七赫五恐+ 瓦墨) 矽 ( 3 - 2 ) 1 2n t 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 3 1 2 散粒噪声 在热敏电阻中流动的电流不是平滑和连续的，而是各个携带者一个电子电荷 的载流子的流动产生的电流脉冲之和。原因是热敏电阻中有势垒存在，而载流子 通过势垒是随机发生的一系列独立事件。对热敏电阻，电流是电子由负极流向正 极，两电极的形状和它们之间的电位差使得发射的电子数目有随机的涨落。若将 这种变化加以用放大器放大并用扬声器监听，就会听到像枪弹打到水泥墙上的声 音。对于热敏电阻，虽然单位时间内通过电阻的载流子平均数是一定的，但是， 某一个载流子越过势垒的事件却是随机的，它取决于载流子是否具有足够的能量 以及指向界面方向的速度的大小。这就引起注入电流的涨落。这种由于载流子各 自独立而随机地通过势垒所引起的噪声，称为散粒噪声( s h o t n o i s e ) 。 散粒噪声的噪声频谱密度为： 西= 2 p 历 其中历为器件的电流，p 为电子电荷， 谱与频率无关，也是白噪声。 3 1 3g - r 噪声 ( 3 3 ) 从式( 3 3 ) 中可以看出，散粒噪声频 g r 噪声即产生复合噪声( g e n e r a t i o n r e c o m b i n a t i o nn o i s e ) 。红外探测器中的 g r 噪声也属于一种低频噪声。半导体器件中，存在一些能发射或俘获载流子的各 种缺陷和能级。根据他们在禁带中的位置不同，可分为施主中心，受主中心，产 生复合中心和陷阱中心。这些杂质中心对载流子的产生和复合都是随机过程。而 器件中的载流子浓度的起伏导致其电导率的起伏，当该半导体器件外加偏压后， 必引起器件内电流及电压的起伏变化，称为产生复合噪声。 当杂质能级低于费米能级若干打时，该能级总是满的；当杂质能级高于费米 能级若干七r 时，该能级总是空的。所以，只有能量在费米能级附近几个七r 范围 内的杂质中心才对g r 噪声有明显的贡献。浅施主或浅受主能级分别靠近导带底和 价带顶，在通常的温度和偏置范围内，距费米能级较远，故对g r 噪声的贡献甚微。 因此，哥r 噪声主要来源于禁带中部附近的深能级产生复合中心和陷阱中心。 3 1 4l f 噪声 1 9 2 5 年，j b j o h n s o n 在“低频电路中的肖特基效应 的论文中第一次提出了 “l f 噪声 这一术语。在考查肖特基效应时，j b j o l l i l s o n 发现除了散射噪声以外， 在低频部分还有较强烈的电流噪声。若使用氧化物阴极，该电流就更大。经过进 第三章n t 型红外探测器低频噪声研究1 3 一步的实验，j b j o l n s o n 还发现这个在低频部分的电流噪声的功率谱密度和频率 厂成反比，因此，他把这种噪声称作“l f 噪声”( “1 fn o i s e ”) 。此后，人们发现， 在碳酸电阻中流过的电流也表现出具有同真空管电流同样功率谱密度的电流噪 声。相继，在诸如风、光、地球的平均温度、宇宙射线的强度变化等各种自然现象 中都观察到了“l f 波动”。而且在音乐的声音强弱和节奏变化中以及书法和水墨画 等的浓淡空间分布变动中也发现了“1 f 波动”的变化规律。 与热噪声，散粒噪声和g - r 噪声相比，1 f 噪声研究有着更为重要的学术意义 和更大的应用价值，l f 噪声理论仍不成熟，因而成为目前固体器件研究的焦点。 1 f 噪声极易受工艺影响。这是因为晶体结构制造工艺过程会产生一些瑕疵，1 f 噪 声的产生与这些瑕疵有关。总的来说，它的产生比较复杂，除了杂质和晶格位错， 还有半导体截面上的悬挂键对载流子的俘获和释放。此外，研究证明1 1 6 j ，除了半 导体中的杂质，晶格缺陷，在表面或界面等处的局域电子态，通过对载流子的俘 获复合等随机过程，也能引起载流子数目或迁移率的涨落形成1 f 噪声。 3 2 红外探测器低频噪声产生机理 自然界中的噪声分为广义噪声和狭义噪声。我们日常生活中所听到的噪声如 喇叭声，发动机轰鸣声等都是狭义噪声。在物理学中，各种物理量的随机涨落都 会产生噪声，这种噪声就是广义噪声。红外探测器与电子线路组合时，只要放大 器的放大倍数足够大，即使没有响应信号输出，也可以观察到一些毫无规律和无 法预测的电输出，这就是探测器的噪声。噪声实质上是物理量绕其平均值的涨落， 这是相当普遍的现象，任何宏观测量的物理量都是微观过程统计的平均值，其瞬 时值则围绕这一平均值不断上下涨落。 几乎所有的电子器件或电子整机都有电噪声，电噪声可分为白噪声和过剩噪 声。白噪声是与频率无关的噪声，其功率谱密度在频域是一个常数，它主要由器 件的性质决定：过剩噪声在低频下显著，亦称低频噪声，主要有l f 噪声和g r 噪 声。l f 噪声的功率谱密度与频率成反比，它主要由器件的缺陷决定，因此1 f 噪 声反映了器件的质量，1 ，f 噪声大的器件其可靠性必然很差。此外，1 f 噪声不光在 电子器件中存在，在所有的系统中，只要频率足够低，都有1 f 噪声产生。 从探测器噪声的产生机理上讲，红外探测器的噪声主要包括：热噪声、散粒 噪声、g r 噪声、l f 噪声。外界电磁干扰，机械振动和声浪也可能引起附加的噪声， 应当采取措施减小甚至消除外界干扰引入的噪声。不过放大器的噪声总是存在的， 对于超高阻抗和极低阻抗的探测器，放大器噪声甚至限制或超过探测器的噪声输 出。因此，一般情况下所测得的探测器的电噪声中，或多或少含有放大器的噪声， 为了和实际应用取得一致，有些探测器与前置放大器做在一起成为一个组件。 1 4n t c 型红外探测器可靠性的低频噪声表征技术研究 探测器的噪声是指探测器电输出中与入射信号统计无关的那部分，定义为探 测器在无穷大负载时，扣除前置放大器的噪声后，探测器两端的噪声电压或电流。 由于噪声是随机过程，其统计平均值恒为零，故多用均方值来表征大小，所以噪 声的定义