PN結(jié)二極管散粒噪聲測(cè)試方法研究

摘要：針對(duì)散粒噪聲難以測(cè)量的特點(diǎn)，提出了一種低溫散粒噪聲測(cè)試方法。在屏蔽環(huán)境下，將被測(cè)器件置于低溫裝置內(nèi)，有效抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾，采用背景噪聲充分低的放大器以及偏置器、適配器等，建立低溫散粒噪聲測(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)PN結(jié)二極管進(jìn)行散粒噪聲測(cè)試，得到了很好的測(cè)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：散粒噪聲；擴(kuò)散電流；低溫裝置；PN結(jié)

0 引言
    近年來(lái)，隨著對(duì)散粒噪聲研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)散粒噪聲可以很好地表征納米器件內(nèi)部電子傳輸特性。由于宏觀電子元器件中也會(huì)有介觀或者納米尺度的結(jié)構(gòu)，例如：勢(shì)壘、缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲，并且可能攜帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這使人們對(duì)宏觀電子元器件中散粒噪聲研究產(chǎn)生了極大的興趣。另一方面，隨著器件尺寸的不斷縮小，器件中散粒噪聲成分也越來(lái)越顯著，已經(jīng)嚴(yán)重影響器件以及電路的噪聲水平，人們必須要了解電子元器件中散粒噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和特性，以便更好地抑制器件的散粒噪聲，實(shí)現(xiàn)器件和電路的低噪聲化。
    對(duì)于二極管而言，在室溫條件下，散粒噪聲被其他類型的噪聲所淹沒，一般在實(shí)驗(yàn)中很難觀察到它的存在。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于散粒噪聲測(cè)試技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)展，但是普遍存在干擾噪聲大、測(cè)試儀器價(jià)格昂貴等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。本文所介紹的測(cè)試系統(tǒng)是在屏蔽環(huán)境下將被測(cè)器件置于低溫裝置內(nèi)，抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾；同時(shí)使用低噪聲前置放大器使散粒噪聲充分放大并顯著降低系統(tǒng)背景噪聲顯著；通過(guò)提取噪聲頻譜高頻段平均值，去除了低頻1／f噪聲的影響，使測(cè)試結(jié)果更加的準(zhǔn)確。使用本系統(tǒng)測(cè)試二極管散粒噪聲，得到了很好的測(cè)試結(jié)果。
    本文的工作為散粒噪聲測(cè)試提供了一種新的有效方法，并運(yùn)用此測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了PN結(jié)二極管散粒噪聲，得到了很好的測(cè)試結(jié)果。

1 測(cè)試原理
    對(duì)于P-N結(jié)二極管中散粒噪聲的測(cè)試，主要影響因素包括：外界電磁干擾、低頻1／f噪聲、熱噪聲以及測(cè)試系統(tǒng)背景噪聲等。
    散粒噪聲屬于微弱信號(hào)，在實(shí)際測(cè)試中外界電磁干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果影響顯著，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放置于電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，這樣就有效地抑制了外界電磁干擾。散粒噪聲和熱噪聲均屬于白噪聲，在室溫下由于熱噪聲的影響，一般很難測(cè)量到散粒噪聲的存在，因此需要最大限度降低熱噪聲的影響。在測(cè)試中將待測(cè)器件置于液氮環(huán)境中，此溫度時(shí)器件熱噪聲相對(duì)于散粒噪聲可以忽略。對(duì)于器件散粒噪聲的測(cè)試，必須通過(guò)充分放大才能被數(shù)據(jù)采集卡所采集，所以要求放大器要有足夠的增益，同時(shí)要求不能引入太大的系統(tǒng)噪聲，否則，系統(tǒng)噪聲會(huì)淹沒所測(cè)器件的散粒噪聲，因此采用低噪聲高增益的前置放大器。
    對(duì)于PN結(jié)二極管，其低頻1／f噪聲也是非常顯著的，它對(duì)散粒噪聲的影響很大，由于1／f只是在低頻部分明顯，在高頻部分很小，因而可以通過(guò)提取噪聲高頻部分的平均值來(lái)降低1／f噪聲對(duì)測(cè)試的影響，使測(cè)試結(jié)果更加的準(zhǔn)確。據(jù)此，設(shè)計(jì)了一種低溫散粒噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方案
    測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集和噪聲分析系統(tǒng)組成。將所有測(cè)試設(shè)備放置于雙層金屬網(wǎng)組成的屏蔽室內(nèi)，可以有效地抑制外界電磁噪聲的干擾；測(cè)試系統(tǒng)低溫裝置是一個(gè)裝有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的測(cè)試溫度，這樣就有效的降低了熱噪聲的影響。VCC為電壓可調(diào)的低噪聲鎳氫直流電池組，為器件提供工作電壓，電池組不能用直流電源代替，因?yàn)橹绷麟娫吹脑肼暠容^大。

    電阻器屬于低噪聲線繞電位器，最大阻值均為10 kΩ，用于電壓源的調(diào)節(jié)。同時(shí)為了測(cè)試更加準(zhǔn)確，電阻器一并置于液氮裝置內(nèi)，以降低其自身熱噪聲的影響。前置放大器采用美國(guó)EG&G普林斯頓應(yīng)用研究公司制造的PARC113型低噪聲前置放大器，放大增益范圍為20～80 dB，測(cè)試帶寬為1～300 kHz，其背景噪聲很低，滿足實(shí)驗(yàn)的測(cè)試要求。
    數(shù)據(jù)采集和噪聲分析軟件包含五大功能：噪聲頻譜分析、器件可靠性篩選、噪聲分析診斷、時(shí)頻域子波分析和時(shí)域分析。對(duì)于散粒噪聲分析，主要用到噪聲頻譜分析模塊。

    通過(guò)具體測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比室溫和77 K時(shí)樣品噪聲，可以看出噪聲幅值降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了降低低頻1／f噪聲的干擾，提取電流噪聲功率譜299～300 kHz高頻段的平均值。如圖2所示，從圖中可以看出高頻段是白噪聲。在室溫下，被測(cè)器件噪聲幅值在1．2×10-15V2／Hz左右；而77 K時(shí)，在相同偏置條件下測(cè)試了樣品的噪聲，電流噪聲幅值為1．5×10-16V2／Hz，可知熱噪聲被減少了90％左右，可見77 K時(shí)熱噪聲被明顯抑制。同時(shí)測(cè)量了低溫下系統(tǒng)的背景噪聲，它的噪聲幅值在4×10-17V2／Hz左右，而低溫下樣品的噪聲幅值為1．5×10-16V2／Hz，因此低溫下系統(tǒng)背景噪聲相對(duì)較小，可以忽略。該測(cè)試系統(tǒng)能滿足低溫下散粒噪聲測(cè)試的要求。

3 測(cè)試結(jié)果及討論
    實(shí)驗(yàn)樣品選用Ln5391整流二極管。具體步驟為，分別設(shè)置V=0．5 V和V=1．0 V，測(cè)試器件在開啟電壓下的器件散粒噪聲。在功率譜提取時(shí)，取270～300 kHz頻率段電流噪聲功率譜的平均值，這樣既可以去除低頻1／f噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，也可以通過(guò)平均值算法使分析的測(cè)試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。表1為被測(cè)二極管典型頻率點(diǎn)噪聲功率譜測(cè)試值。圖3為器件工作在0．5 V和1．0 V條件下，電流噪聲功率譜的變化情況。從圖中可以看出，隨著開啟電壓的升高，器件的散粒噪聲是變大的。

4 結(jié)語(yǔ)
    針對(duì)散粒噪聲難以測(cè)量的特點(diǎn)，本文提出了一種低溫散粒噪聲測(cè)試方法。在屏蔽環(huán)境下，將被測(cè)器件置于低溫裝置內(nèi)，有效抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾，采用背景噪聲充分低的放大器以及偏置器、適配器等，建立低溫散粒噪聲測(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)PN結(jié)二極管進(jìn)行噪聲測(cè)試，得到了很好的測(cè)試結(jié)果，并分析該器件散粒噪聲的特性。
    本文的工作為器件散粒噪聲測(cè)試提供了一種新方法，并對(duì)PN結(jié)二極管散粒噪聲特性進(jìn)行了測(cè)試、分析。