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高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--高阻器件噪声测试技术

时间:02-27 来源:互联网 点击:

第三章高阻器件噪声测试技术

3.1高阻样品噪声测试问题分析

研究者们发现当噪声的研究扩大至诸如电容器,MOS器件栅氧化层,高阻值电阻器之类的高阻器件或高阻材料范围时,传统的噪声测试技术不再行之有效,出现了诸多新的技术问题和挑战。

(1)高源阻抗使电压噪声信号衰减

传统测试电压噪声的测试方法无法使信号充分放大。在放大器输入阻抗固定的情况下,过大的测试样品阻值会导致微弱的噪声信号不能充分放大,影响信号提取。具体说明见下图;



r为信号源阻抗,R为放大器输入阻抗,通常这个数值在数十MΩ到数百MΩ甚至上GΩ,E为噪声信号。根据欧姆定律可知,当r值不大,即所测样品为中阻样品时,噪声信号电压几乎全部落在放大器输入阻抗上,信号无衰减的被放大器捕获。但当r的大小达到和R可比拟的范围或甚至比R大的范围时,落在R上的信号电压就会变为E的几分之一甚至是百分之一。由于噪声信号电压本来就是微弱信号,其值的几分之一甚至是百分之一就会变得更加微弱,甚至达到与背景噪声可比拟的量级,再加上数据采集卡的精度有限,这就会影响到后期信号模数转换时的信号提取精度。

(2)高偏置电压条件会降低耦合电容寿命甚至使耦合电容击穿

当器件阻值过高时,若采用传统测电压噪声的方法,可能需要在器件两端加较大的直流偏置电压,以激发出明显而可测的低频噪声。这样就会在测试条件上产生如下两个限制:首先,放大器采集信号时无法使用直流耦合,这样就会导致无法测到非常低频的信号;其次,即便采用交流耦合方式,耦合电容上承受的压降过高,有可能会超过电容的额定电压,击穿电容;承受过高的电压也会影响耦合电容的寿命。

(3)电流噪声信号带宽过窄国外针对MOS栅氧化层漏电流噪声的测试电路如图3.2所示。该方法通过在栅氧化层上施加一定偏置电压测电流噪声。



图3.2中下部的bias stage是一个典型的有源滤波器,用来滤除来自直流源的交流干扰,保证测试结果中只包含测试样品的噪声信号。图3.2上部的DUT是待测样品。基于TLC070的放大电路被搭建成跨阻放大器的模式,将栅漏电流信号转变为成比例的电压信号。

图3.2中的测试方法存在信号通频带过窄的问题。由于同样偏压下高阻器件的电流噪声会非常微弱,因而放大倍数通常设置的很大,在放大器带宽增益积一定的情况下就导致了带宽较低,从图3.3中的SR570的带宽和增益的关系图中就可以看出这一点。

(4)电容漏电流噪声高频被衰减

已有针对电容的测试技术的原理图如图3.4所示:

流过待测电容C 1的噪声漏电流会在R1上产生一个噪声电压压降,放大器测试的是R1上的噪声电压信号。R1选用大阻值绕线电阻,但相对于放大器,R1相当于低源阻抗,这样信号就不会被衰减,而且由于R1被认为是无噪声的,这样来自R 1的噪声信号就是C 1的噪声信号。


图3.4中的方法存在如下问题:由于R l和C 1形成了一个低通滤波网络,因此当角频率ω≥1/ R1C1时,信号会由于滤波网络的存在而衰减,形成下图所示的频谱图:

可以看到信号从200Hz开始严重衰减,即便放大器的放大倍数再小,频带再大也无法改变衰减。由此可见该方法的严重缺陷同样是无法观察到更高频率的频谱图像。

(5)对称电位测试方法无法测单个器件

已有针对高阻值电阻的噪声测试技术原理图如上图所示,R D为待测电阻,该电路一次测量两个电阻R D的噪声并且采用两个电压值相同的电池供电,J 1为一级放大,其从电路结构中我们可以看出,理论上两个电阻两端的电压可以无穷大,这是因为J 1的输入永远保持在接近零伏的电位,不会使放大器饱和。

图3.6中的对称电位测试方法有如下的缺点:首先,它的一个严重缺陷是无法测单个器件的噪声;其次,他要求两个样品的阻抗完全相等,对于特别大阻值的电阻,由于其工艺精度有限,两测试样品阻值相等是极难做到的理想情况。

(6)多级放大器噪声过大

为了缓解电流放大器带宽过窄的问题,有研究者使用了多级放大的方法[6],这样可以达到展宽带宽的效果,如图3.7所示。该方法将电流放大器作为第一级放大,适当减小第一级的放大倍数,由此展宽信号通频带。第一级减小的放大倍数由第二级电压放大器来补偿,从而确保噪声信号的在放大倍数总体不减小的情况下展宽通频带。

虽然该方法可以展宽带宽,但是这是以增大系统本底噪声为代价,从而降低了测试精度,这种现象从下图中就可以看出:



上图是SR570跨阻放大器的本底噪声和放大倍数的关系,可以明显的看到,当放大倍数降低时,系统本底噪声会大幅增加,严重限制了测试系统的精度,这样的测试系统难以测到较低的噪声。我们经过实际测试发现在大多数的测试中,该二级放大电路的本底噪声远大于待测信号,无法使用。

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