高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應(yīng)用研究--高阻器件噪聲測試技術(shù)的驗(yàn)證和應(yīng)用

4.3.4高阻值厚膜電阻中的爆裂噪聲

在本實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)高阻厚膜電阻含有明顯的爆裂噪聲，其典型時(shí)域波形和頻域功率譜密度如圖4.6和圖4.7所示：

厚膜電阻的結(jié)構(gòu)比一般電阻更加復(fù)雜，其電阻體的材料分布不是均勻的，而是由許多導(dǎo)電顆粒分布在絕緣材料之中構(gòu)成的，如圖4.8所示：

上圖中的灰色球體是導(dǎo)電顆粒，通常是釕系氧化物RU₂O₂上圖中黑色部分是絕緣介質(zhì)，俗稱玻璃釉，通常是由氧化鉛和二氧化硅構(gòu)成。由圖4.8可見，電阻中的導(dǎo)電顆粒被絕緣介質(zhì)分離出來，彼此之間一般不會(huì)接觸。在制作電阻時(shí)，導(dǎo)電顆粒添加的越少，則電阻的阻值越大，這也是常用的一種調(diào)節(jié)電阻阻值的方式。


已有針對厚膜電阻的研究同樣在實(shí)驗(yàn)中的一部分厚膜電阻中發(fā)現(xiàn)了爆裂噪聲厚膜電阻中爆裂噪聲的產(chǎn)生和電阻材料的構(gòu)成有直接的關(guān)系。載流子在厚膜電阻中的輸運(yùn)是通過導(dǎo)電顆粒與絕緣層構(gòu)成的特殊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)載流子輸運(yùn)機(jī)制是由厚膜電阻中導(dǎo)電顆粒之間的絕緣層來決定的，而非電阻體中的金屬氧化物顆粒，因?yàn)檩d流子在這些絕緣層形成的勢壘兩邊進(jìn)行隧穿導(dǎo)電，勢壘決定時(shí)域爆裂噪聲中我們可以看到高阻厚膜電阻中的爆裂噪聲是一種二的高度了載流子的輸運(yùn)。有研究者認(rèn)為厚膜電阻中的爆裂噪聲是由釕系厚膜電阻中諸如氣泡，空洞之類的表面缺陷導(dǎo)致的，并且阻值一定的情況下，尺寸更小的厚膜電阻具有更大的爆裂噪聲，且厚膜電阻中的爆裂噪聲主要出現(xiàn)在材料中最高場強(qiáng)的區(qū)域。

然而，目前對于厚膜電阻中爆裂噪聲的起源尚無定論。有研究者認(rèn)為爆裂噪聲是由導(dǎo)電顆粒之間非常薄的絕緣玻璃釉中的缺陷導(dǎo)致的[29]，這些缺陷會(huì)不斷俘獲或釋放載流子，形成載流子的產(chǎn)生-復(fù)合中心，當(dāng)這些產(chǎn)生-復(fù)合中心處于高場強(qiáng)時(shí)，則它們會(huì)使勢壘發(fā)生變化從而引起隧道電流的漲落，導(dǎo)致爆裂噪聲。

從圖4.7中的態(tài)噪聲，即噪聲脈沖的幅度基本一致。這種爆裂噪聲多見于其他半導(dǎo)體器件，而非厚膜電阻之中[30]。大多數(shù)其他種類電阻的爆裂噪聲的脈沖高度是不一樣的，可能會(huì)同時(shí)存在兩三種高度的脈沖。脈沖的高度是由電阻材料中高場強(qiáng)部位中的微觀缺陷態(tài)所導(dǎo)致的。每個(gè)足以激發(fā)出爆裂噪聲的微觀缺陷，對應(yīng)著一個(gè)脈沖。如果樣品材料中含有多個(gè)足以在高場強(qiáng)下激發(fā)出爆裂噪聲的缺陷，則該器件的爆裂噪聲時(shí)域波形中會(huì)含有多種高度的脈沖，其頻域中會(huì)含有明顯的洛倫茲譜，因而不會(huì)再表現(xiàn)為典型的爆裂噪聲曲線。

我們對不同電壓下的爆裂噪聲時(shí)域信號進(jìn)行了測試，如下圖所示：

從以上圖中我們可以看到，爆裂噪聲在低電壓下并不明顯，但隨著所加直流偏置電壓的增加而變得強(qiáng)烈。該現(xiàn)象可用電場強(qiáng)度對厚膜電阻中的爆裂噪聲的影響來解釋。厚膜電阻中的爆裂噪聲主要是由絕緣介質(zhì)中的缺陷在高場強(qiáng)下引起的。因此影響爆裂噪聲的因素有兩個(gè)，即電阻體中的缺陷數(shù)量和這些缺陷所處的電場強(qiáng)度。當(dāng)器件偏壓較低時(shí)，器件中的電場較低，因此即便有個(gè)別缺陷處于高場強(qiáng)，其相對電場強(qiáng)度還是比較小，因而爆裂噪聲不明顯。隨著電壓的不斷增大，電阻體材料的電場強(qiáng)度不斷增加，從而導(dǎo)致個(gè)別相對場強(qiáng)較高的缺陷區(qū)域的電場的絕對強(qiáng)度大幅增加，從而加強(qiáng)了產(chǎn)生-復(fù)合中心對于載流子的俘獲和釋放，導(dǎo)致爆裂噪聲更加明顯。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了降低厚膜電阻的噪聲，除了對電阻進(jìn)行篩選之外，另外一個(gè)有效的方法是盡量使厚膜電阻兩端偏壓置于低電壓水平，以免激發(fā)出強(qiáng)烈的爆裂噪聲。同時(shí)在應(yīng)用條件允許的情況下，盡量選擇同阻值中尺寸較大的厚膜電阻也可以有效降低樣品的噪聲水平。