高阻器件低頻噪聲測試技術與應用研究--高阻器件噪聲測試技術

第三章高阻器件噪聲測試技術

3.1高阻樣品噪聲測試問題分析

研究者們發現當噪聲的研究擴大至諸如電容器，MOS器件柵氧化層，高阻值電阻器之類的高阻器件或高阻材料范圍時，傳統的噪聲測試技術不再行之有效，出現了諸多新的技術問題和挑戰。

（1）高源阻抗使電壓噪聲信號衰減

傳統測試電壓噪聲的測試方法無法使信號充分放大。在放大器輸入阻抗固定的情況下，過大的測試樣品阻值會導致微弱的噪聲信號不能充分放大，影響信號提取。具體說明見下圖；

r為信號源阻抗，R為放大器輸入阻抗，通常這個數值在數十MΩ到數百MΩ甚至上GΩ，E為噪聲信號。根據歐姆定律可知，當r值不大，即所測樣品為中阻樣品時，噪聲信號電壓幾乎全部落在放大器輸入阻抗上，信號無衰減的被放大器捕獲。但當r的大小達到和R可比擬的范圍或甚至比R大的范圍時，落在R上的信號電壓就會變為E的幾分之一甚至是百分之一。由于噪聲信號電壓本來就是微弱信號，其值的幾分之一甚至是百分之一就會變得更加微弱，甚至達到與背景噪聲可比擬的量級，再加上數據采集卡的精度有限，這就會影響到后期信號模數轉換時的信號提取精度。

（2）高偏置電壓條件會降低耦合電容壽命甚至使耦合電容擊穿

當器件阻值過高時，若采用傳統測電壓噪聲的方法，可能需要在器件兩端加較大的直流偏置電壓，以激發出明顯而可測的低頻噪聲。這樣就會在測試條件上產生如下兩個限制：首先，放大器采集信號時無法使用直流耦合，這樣就會導致無法測到非常低頻的信號；其次，即便采用交流耦合方式，耦合電容上承受的壓降過高，有可能會超過電容的額定電壓，擊穿電容；承受過高的電壓也會影響耦合電容的壽命。

（3）電流噪聲信號帶寬過窄國外針對MOS柵氧化層漏電流噪聲的測試電路如圖3.2所示。該方法通過在柵氧化層上施加一定偏置電壓測電流噪聲。

圖3.2中下部的bias stage是一個典型的有源濾波器，用來濾除來自直流源的交流干擾，保證測試結果中只包含測試樣品的噪聲信號。圖3.2上部的DUT是待測樣品。基于TLC070的放大電路被搭建成跨阻放大器的模式，將柵漏電流信號轉變為成比例的電壓信號。

圖3.2中的測試方法存在信號通頻帶過窄的問題。由于同樣偏壓下高阻器件的電流噪聲會非常微弱，因而放大倍數通常設置的很大，在放大器帶寬增益積一定的情況下就導致了帶寬較低，從圖3.3中的SR570的帶寬和增益的關系圖中就可以看出這一點。

（4）電容漏電流噪聲高頻被衰減

已有針對電容的測試技術的原理圖如圖3.4所示：

流過待測電容C 1的噪聲漏電流會在R1上產生一個噪聲電壓壓降，放大器測試的是R1上的噪聲電壓信號。R1選用大阻值繞線電阻，但相對于放大器，R1相當于低源阻抗，這樣信號就不會被衰減，而且由于R1被認為是無噪聲的，這樣來自R 1的噪聲信號就是C 1的噪聲信號。