高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--用于聚合物钽电容的漏电流噪声研究

4.4电流噪声测试技术应用于聚合物钽电容的漏电流噪声研究

4.4.1有机聚合物钽电容的特点

有机聚合物钽电容被广泛应用于宇航电子设备以及其他对可靠性或性能有较高要求的电子设备中。该器件采用导电率较高的有机聚合物半导体材料作为电容阴极代替了传统钽电解电容的二氧化锰阴极，实现了非常低的电容ESR值，更加优异的频率特性和温度特性以及更长的使用寿命，因而具有更高的可靠性。有机聚合物钽电容是常见极性电容中性能最优异的产品，其性能远高于传统铝电解电容或钽电解电容。

4.4.2电流噪声测试和漏电流测试实验方案

本文改进并简化了已有绝缘介质漏电流测试方法，采用如图4.12所示的测试系统测量聚合物钽电容的漏电流噪声信号。首先给待测样品施加一直流偏置电压V，然后通过SR570电流放大器将流过电容的微弱漏电流噪声信号放大，得到放大后的时域信号I（t）并通过计算机平台上的数据采集卡采集该放大后的信号，之后在Labview软件平台下通过快速傅里叶变换将时域上的信号转换为频域上的电流功率谱密度SI（f）。然后本方案采用3.3.2节中提到的测试方案中的归一化函数对频谱数据进行还原。通过改变偏置电压V我们可以测得不同偏压下的电容漏电流噪声。

在漏电流测试验中，我们采用半导体参数仪Keithley 4200-CSC测试了不同偏置电压下聚合物钽电容的漏电流，即器件的I-V特性。

4.4.3聚合物钽电容的漏电流输运机理及噪声特性

（一）漏电流与噪声之间的关系

本实验测量了标称容量10uF，实际容量9.42uF的聚合物钽电容在不同偏置条件下的漏电流和漏电流噪声，结果分别在表4.7和图4.13中。从数据中可以看出聚合物钽电容的电流噪声功率谱密度与漏电流幅度变化的单调性一致，都是先减小后增大。已有文献中数据也显示传统钽电解电容电流噪声功率谱密度与漏电流幅度的一次方至四次方成正比。

本实验的结果与已有文献中传统钽电解电容电流噪声与漏电流的比例关系一致。虽然聚合物钽电容与传统钽电解电容的结构和阴极材料不一样，但二者电流噪声与漏电流的关系相同，这可能说明导致聚合物钽电容电流噪声的主要机制与传统钽电容一样，在介质材料Ta₂O₅中，而非阳极或阴极材料中。

由于电流噪声反映的是微观载流子的涨落，而漏电流又直接与器件中的自由载流子浓度成正比，所以我们结合本试验数据和已有文献中的数据可以得到如下结论：聚合物钽电容中构成漏电流输运的自由载流子的浓度越大，其涨落也越大。

（二）漏电流输运机理

本实验对多种不同型号的聚合物钽电容进行了漏电流与偏置电压的I-V曲线测试，在各种样品中均发现了漏电流随偏压先减小后增大的变化规律。

图4.14是本实验中测得的10uF聚合物钽电容在不同偏压下的漏电流特性。

从图中我们可以看到漏电流并不会随着偏压的增大而单调变化，而是先减小后增大。这与文献中传统钽电解电容的电流噪声随偏压的升高而单调递增的结果不一致。

产生电容漏电流的机制有很多种，主要机制有FN隧穿、直接隧穿、Frenkel-Poole发射、Schottky发射。除此之外离子输运电流、欧姆输运电流也会对漏电流有一定影响。在传统钽电容中，漏电流主要是由Frenkel-Poole发射导致。

上式中，A是比例系数，Φ表示绝缘层中陷阱的势垒深度，ε是绝缘层的相对介电常数。从（4-2）式我们可以看出，在温度一定的情况下，绝缘层中电流密度会随着电场强度的增加而变大，而且电场强度越大，Frenkel-Poole发射的作用越明显。

根据（4-3）式，如果聚合物钽电容中起主导作用的漏电流输运机制也是Frenkel-Poole发射，则电容的漏电流会随着偏压的增大而不断增大[35]。所以从图4.14中漏电流随偏压的变化趋势可以看出在聚合物钽电容漏电流输运机理中，起主导作用的并非仅仅是Frenkel-Poole发射。

图4.14中的现象可以用聚合物钽电容中的Frenkel-Poole发射和高分子有机聚合物蒸发导致的导电回路的中断这两种机制来解释。这两种机制共同作用于漏电流输运机制，并且二者是竞争的关系。

当聚合物钽电容两端所加偏置电压V的值较低时，器件中电场强度较弱。此时Frenkel-Poole发射随偏置电压的增加而加强的效果不明显，从而使漏电流增大的作用不明显。而另一方面，随着偏置电压的增大，裂缝处的导电高分子材料温度不断升高，阴极高分子聚合物的蒸发作用不断加快，使介质材料中裂缝和空洞导致的漏电流回路被切断，促使漏电流降低。该漏电流阻碍机制强于Frenkel-Poole发射，并随偏压增高而不断加强，因此低场强下两种机制共同作用的结果为漏电流随偏压增高不断降低。该过程可用（4-4）式描述：