CN102095917B - 高阻器件与介质材料电流噪声测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阻器件与介质材料电流噪声测试方法，其测试步骤为：首先通过样品适配器激发出高阻值样品的低频电流噪声，再通过低噪声电流放大器将样品低频噪声放大，继而通过数据采集卡采集放大后的噪声信号并计算这些采集得到的高频部分被放大器衰减的电流噪声信号的功率谱密度S₀(f)，之后利用锁相放大器获取电流放大器的幅频特性曲线并由此计算归一化曲线Q(f)，然后利用Q(f)还原被衰减的功率谱密度曲线S₀(f)，得到还原后频带展宽的功率谱密度曲线S(f)，最后对S(f)进行数据分析来筛选器件或研究样品可靠性。本发明解决了现有高阻值样品噪声测试方法中倍号通频带窄、测试数据不充分的问题，具有高效率、操作自动化和还原后的数据精度高的优点。

Description

高阻器件与介质材料电流噪声测试方法

技术领域

本发明属于电子测试测量技术领域，涉及一种高阻器件和介质材料电流噪声测试方法，用于对高阻值电阻器件或高电阻材料宽频带范围内的电流噪声测试。

背景技术

1、器件及材料的电流噪声

当给器件(如电阻器、电容器)两端施加直流偏压时，器件内部电荷产生定向移动形成电流，该电流平均值符合欧姆定律，但是电流的瞬时值却是随机涨落的。这种涨落是由于器件内载流子的随机涨落、器件中的缺陷对载流子的随机俘获、释放过程以及晶界势垒等对载流子的散射等多种原因导致的。我们将这种电流的瞬时涨落称为电流噪声，通过对电流噪声的测量分析可研究样品电荷输运机制、输运过程以及缺陷与可靠性等。

电流噪声信号虽然微弱但其包含信息丰富，根据不同机理产生的电流噪声具有不同的频率分布特性。由于一般导电样品中噪声信号十分微弱，因此对于样品电流噪声进行有效的分析需要进行倍数足够大和频带范围足够宽的信号放大。研究表明高阻值器件与材料中电流噪声主要由三种噪声成分组成，分别为白噪声(主要为热噪声和散粒噪声)、1/f噪声和G-R噪声。电流噪声的功率谱密度公式如下：

$S\left(f\right)=A+\frac{B}{f^{\mathrm{\γ}}}+\frac{C}{1+{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^{\mathrm{\α}}}$

等式右边多项式中的三项代表电流噪声是由三种噪声成分组成的，其中A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，C为g-r噪声的幅度、f₀和α分别为g-r噪声转折频率和指数因子；等式左边的S(f)是电流噪声的功率谱密度，其单位是A²/Hz，f是频率。

通过分析实际测试得到的该等式中的电流噪声的功率谱密度的各种参数和数据，我们即可对样品进行深入的分析，并据此研究器件或材料可靠性及失效机理或对器件进行筛选。

2、高阻器件和介质材料电流噪声测试方法及其存在的问题

高阻器件及介质材料的电流噪声测试方法主要应用于噪声计量和可靠性研究及产品筛选。高阻器件和介质材料通常是指等效电阻在10⁶Ω～10¹²Ω范围内的器件或材料。常见的高阻器件和介质材料有：电容器、大阻值电阻器、薄介质材料(例如，MOS器件绝缘栅材料、电容器介质材料等)。

目前在国内外，无论是噪声计量还是噪声应用于器件筛选和可靠性分析，都仅限于低、中阻值的样品，高阻值样品电流噪声的测试技术还不完善。

以往本领域传统的用于器件和介质材料可靠性研究和产品筛选的方法是长时间高低温老化或者过载电应力方法。这些传统方法存在的缺陷主要是：(1).上述实验方法对样品具有损伤效应；(2).上述实验方法的实验周期长、效率低；(3).由于产品筛选时采用抽检的方式进行，因此其预测结采不能完全代表每个器件个体，具有很大的不确定性。随着当今电子器件的尺寸不断缩小、寿命和可靠性不断增强以及电子系统中器件集成度的不断提高，上述传统方法的缺陷会更趋严重。

已有的用于高阻值器件和介质材料电流噪声测试方法是基于若干仪器和设备的一套测试系统来进行的，其电流噪声放大方式采用单级电流放大或电流放大与电压放大结合的多级放大系统，测试系统如图1所示。这类测试方法可以分为激发噪声信号、放大信号、采集信号、分析信号四个部分，其步骤包括：首先，系统通过前端样品适配器来激发出样品中的电流噪声，然后利用电流放大器将激发出的难以直接采集的非常微弱的电流噪声信号进行放大(需进一步放大时，再通过电压放大器进行第二级放大)；接下来，系统通过数据采集设备对放大后的信号进行采集；之后，将采集到的信号变换为频域上的功率谱密度从而对数据进行曲线拟合、参数提取等分析，同时对前域上的信号进行分析；最后，将上述分析结果用作样品筛选和可靠性研究的基本数据。

上述的已有测试方法在实际应用中存在着如下缺陷：

(1)、电流放大器放大后的高频信号衰减非常严重

由于高阻值样品中的电流噪声信号非常微弱，因而电流放大器需要被调至到很大的放大倍数。然而在带宽增益积一定的情况下，较大的放大倍数会使信号的带宽变得非常窄，以至于信号的高频截止频率通常不到100Hz，通过图2中的SR570低噪声电流放大倍数与增益的关系我们可以看出这一点。当样品阻值更高时，放大倍数需要被调制得更大，这就使信号的高频截止频率仅为几赫兹，因而高频信号被严重衰减。

(2)、多级放大器会增加系统噪声

虽然利用多级放大器能够有效地增加测试系统的带宽，但是此方法却会使系统本底噪声增加，进而严重影响系统测试精度。国内曾有入提出一种采用多级放大器放大电流噪声的方法，该方法在带宽增益积一定的情况下先是适当减少第一级电流放大器的放大倍数来增加采集信号的带宽，然后再利用第二级电压放大器进一步补偿第一级放大器输出信号的放大倍数。但经实际验证，人们发现该方法存在很严重的技术问题，在绝大多数的实际测试情况下都是无法应用的。因为电流放大器自身的本底噪声与放大倍数成反比，如图3所示，所以第二级电压放大器会大幅放大前级电流放大器的本底噪声，以至于所需测量的微弱电流噪声信号被系统的本底噪声所湮灭，最终使信号无法被识别。

(3)、功率谱密度数据不完整会导致对样品可靠性问题的研究无法深入

在噪声分析中，对测试结果进行深入分析需要得到完整的不失真的功率谱密度曲线，即曲线的频带要足够宽，然而由于已有方法使信号的频率稍高的部分被衰减严重失真，因而人们无法得到完整的曲线，使研究者无法得知在更高频率上是否存在G-R噪声，另外由于一些样品的转折频率比较高，无法从数据中得到，因而人们更是无法对数据进行曲线拟合或参数提取等深入分析。

从以上分析可以看出，目前已有的高阻值样品电流噪声测试方法还存在严重的缺陷，无法得到带宽足够的数据或所得到的数据由于系统背景噪声较大，不能有效分辨真正的样品电流噪声成分，上述这些缺陷在很大程度上制约着高阻器件或材料电流噪声测试方法的应用效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提出一种新的高阻器件与介质材料电流噪声测试方法，该测试方法通过一种信号还原测试系统，在频域上可将信号测试带宽大幅提升，而且不会增加放大器本底噪声，该测试系统还可以实现同时针对多个同种或不同种高阻值样品进行测试，从而显著提高了系统的工作效率。

为实现上述发明目的而提出的高阻器件与介质材料电流噪声测试方法包括如下步骤：

(1)将待测的若干高阻值样品放入适配器中，通过对样品适配器施加偏置电压以激发出样品的电流噪声信号；

(2)根据需要分析的样品数量选择要开启的采集通道数，并开启相应通道上的低噪声电流放大器，调节低噪声电流放大器的放大倍数至A₀，并通过数据采集卡采集放大后的信号；

(3)通过傅里叶变换计算所采集的电流噪声信号的功率谱密度S₀(f)，函数中变量f是频率，由于信号被严重衰减，此时的功率谱密度通频带非常窄；

(4)获取低噪声电流放大器在步骤(2)中设置的放大倍数下的幅频特性曲线即电流有效值随信号频率变化的函数曲线I(f)；

(5)从步骤(4)获得的幅频特性曲线I(f)中提取低噪声电流放大器在该放大倍数下的归一化曲线Q(f)，并利用Q(f)还原步骤(3)中的被衰减的功率谱密度S₀(f)，得到还原后频带展宽的功率谱密度S(f)；

(6)利用曲线拟合和参数提取方法对S(f)进行分析，研究高阻值样品的可靠性或进行产品筛选；

(7)通过软件生成分析结果的报表。

与现有高阻值样品电流噪声测试方法相比，本发明具有以下优点：

一、信号带宽大幅扩展，频带被扩大几十至上百倍；

二、该方法只需采用单级放大器，简化了系统结构，降低了系统搭建成本；

三、功率谱密度频带足够宽，可以对高阻值样品进行深入的可靠性分析研究；

四、由于采用了多通道数据采集和分析技术，本发明可以同时处理几十个甚至上百个样品，在工业上可以大幅提高样品筛选的工作效率；

五、本系统的硬件设备的运转、数据采集、以及数据分析过程全部通过软件实现自动化操控，提升了工作效率，降低了操作员手工操作的出错率。

本发明的测试系统硬件平台由前端适配器、锁相放大器、低噪声电流放大器、多通道数据采集卡、台式计算机等设备构成(系统结构可参见图4)；该测试系统的操作通过软件实现自动化操作，其系统软件平台由传输函数采集模块、归一化函数计算模块、电流噪声采集模块、数据分析与存储模块等软件模块构成。该发明的平台组成有以下特点：(1).前端适配器放置在金属屏蔽盒中，以屏蔽周围环境中的电磁干扰；(2).前端适配器和低噪声电流放大器均采用电池作为其电源，以降低系统的本底噪声；(3).电流放大器为电压输出，其输出电压值是输入电流信号与放大倍数的乘积，即将微弱的电流信号放大为电压信号；(4).本系统利用锁相放大器扫频功能来获取放大器的传输函数；(5).系统各模块之间的信号传输线以及供电连接线采用同轴电缆来屏蔽干扰；(6).台式计算机通过软件平台发出指令控制系统中其他硬件设备，通信方式采用串口通信。

附图说明

图1是现有高阻器件和介质材料电流噪声测试方法的系统框图。

图2是SR570低噪声电流放大器的放大倍数与增益的关系。

图3是SR570低噪声电流放大器自身的本底噪声与放大倍数的关系。

图4是本发明所述高阻器件与介质材料电流噪声测试方法的系统框图。

图5是本发明所述测试方法的操作步骤。

图6是利用锁相放大器测得的传输函数曲线。

图7是采用传统方法测得的信号功率谱密度图。

图8是采用本发明所述测试方法测得的信号功率谱密度图。

图9是本发明所述测试方法和现有测试方法的效果对比图。

具体实施方式

参见附图，本发明所述测试方法的基本流程分为四部分，分别是：A、采集被放大器放大后的电流噪声信号，计算电流噪声功率谱密度；B、获取电流放大器在流程A中放大倍数下的幅频特性曲线；C、由幅频特性曲线计算放大器幅频特性的归一化曲线；D、利用归一化曲线还原流程A中电流噪声的功率谱密度，实现在频域上测试频带的展宽。

本发明所述测试方法的实施步骤如图5所示，具体流程如下。

步骤1，将待测的高阻值样品放入适配器。

步骤2，激发出样品中的电流噪声信号，包括：

2.1)打开适配器电源，对样品施加一直流电压V；

2.2)打开测试系统软件和放大器，根据所需一次测量的样品数目，来选择所需开启的放大器数目和采样通道数；

2.3)在软件中的波形显示窗口中观察2.1)步中的电压V是否已激发出噪声电流信号I(t)；

2.4)调整直流电压V的大小，确保V所激发出的电流噪声I(t)经放大器放大后得到的输出电压信号V(t)在数据采集卡的量程之内，即：-V_range＝V(t)＝V_range。式中V_range为数据采集卡的量程，单位为V。

步骤3，采集信号，具体包括：

3.1)观察软件的波形显示窗口，将电流放大器的放大倍数从1倍开始逐渐提高，在确保放大后的信号幅值在数据采集卡量程之内的条件下，使放大后的信号逐渐增大，记录最终所调到的放大倍数A₀。

3.2)当信号稳定之后，开始在软件中设置数据采集卡采样频率f_sample、信号加窗处理方式、功率谱密度测试的平均次数M，采样频率的选择根据所需采集的电流噪声信号上限频率f_H设定，满足等式：f_sample≥2f_H，平均次数M的选取范围为：32≤M≤256；

3.3)参数设置完毕后，触发采集功能，通过软件实现时域信号采集和时域信号傅里叶变换同步进行，得到电流噪声信号的功率谱密度S₀(f)；

3.4)将采集到的时域信号数据和该数据经傅里叶变化的得到的频域功率谱密度数据存盘。

步骤4，测量电流放大器幅频特性曲线，具体包括：

4.1)将电流放大器放大倍数调至步骤3中测试样品时所调到的放大倍数A₀；

4.2)设置锁相放大器高精度交流信号源输出端电压有效值V₀，将一标准电阻器R₀的一端串接入交流信号源输出端，此时若电阻器另一端也串接入交流信号源输出端，则可得到流经电阻器的电流有效值为

4.3)将电流I₀输入至电流放大器的输入端，即将锁相放大器交流信号源输出端、电阻器R₀和电流放大器串联形成回路，再将放大后的正弦交流信号A₀I₀输入至锁相放大器的信号输入端；

4.4)调整V₀的大小。使放大后的正弦交流信号有效值在锁相放大器的量程V_max之内，即使下式成立：

4.5)开启锁相放大器的扫频功能，保持V₀的幅度不变，将信号V₀的频率从零开始以一定的步长递增，一直递增到信号高频截止频率的10倍或100倍之间的某个频点值，锁相放大器会由此得到电流放大器对频率不同而幅度相同的信号的响应，即电流放大器在放大倍数A₀下的幅频特性曲线I(f)。若样品的电流噪声信号功率谱密度远大于电流放大器本底噪声，则可将信号频率递增的上限设置为高频截止频率的100倍或更高；若样品的电流噪声信号功率谱密度接近放大器的本底噪声，则可将为信号频率递增的上限设置为高频截止频率的10倍。操作中根据实际情，在放大器高频截止频率的10倍以上设置扫频的上限频率，以达到较理想的效果。

4.6)对所有数据采集通道重复上述4.1)至4.5)步骤，测得其他每个正在使用中的通道上电流放大器的幅频特性曲线。

步骤5，获取归一化函数并得到还原后频带展宽的功率谱密度函数S(f)，具体包括：

5.1)通过公式

得到归一化函数Q(f)；

5.2)通过下式的计算得到还原后频带展宽至原来放大器高频截止频率的10倍至100倍之间的功率谱密度S(f)：

$S\left(f\right)=\frac{S_0\left(f\right)}{{A_0}^2{Q}^2\left(f\right)}$

步骤6，对还原后的曲线进行数据分析，具体包括：

6.1)根据样品噪声的功率谱密度公式

对还原后的功率谱密度曲线进行曲线拟合。计算下列参数的值：A、B、C、γ、α、f₀；

6.2)对已存盘的时域信号数据进行爆裂噪声分析，检测样品是否含有爆裂噪声；

6.3)根据6.1)中计算出的参数和6.2)中的分析结果来筛选样品或进行可靠性研究。

步骤7，通过软件自动生成样品分析结果的报告，选择是否将报告存盘。

本发明的效果可以通过以下试验验证并说明：

1.测试对象：标称容值为157uF的聚合物钽电解电容，其等效绝缘电阻大于500MΩ，额定电压为6.3V。

2.测试条件：在室温300K的条件下，对器件两端所加测试电压为5V，电流放大器放大倍数为5×10⁷。

3.验证方法：对器件及介质材料噪声信号的功率谱密度性质的研究表明，器件或介质材料功率谱密度谱图在高频部分应该为一幅值为常量A并与X轴(频率坐标轴)平行的直线，该直线即为样品的白噪声，是一定会有的噪声成分。但由于电流放大器对信号的衰减，人们无法观察到这一与X轴平行直线。如果本发明中的方法正确，人们在展宽频带还原信号后的功率谱密度图中就应该可以看到该直线。

4.测试结果：如图6、图7、图8、图9所示。图7-图9中曲线的Y轴单位为A²/Hz

图6是利用锁相放大器测得的传输函数曲线，此时电流放大器放大倍数为5×10⁷。从图中可见信号通频带很窄，当频率大于100Hz时，信号开始衰减。

图7是采用传统方法测得的信号功率谱密度图，由于放大器通频带过于狭窄，100Hz以上频带部分的热噪声信号出现失真。

图8是利用本发明展宽频带还原后的信号。从图中可以看到还原后的信号在500Hz-5KHz的高频部分出现了应该观察到的白噪声，这与低频噪声基本理论吻合。

图9是采用已有测试方法和本发明方法的对比图。从图中可以看到还原后的信号在1Hz-100Hz的频率范围内与传统方法没有失真的低频段数据吻合度非常高。这说明本发明中的信号还原展宽频带的方法在将高频部分信号还原的同时，能确保对信号未失真的低频部分无明显影响。在该验证试验中，本发明中的测试方法将信号的频带展宽了50倍。

Claims (1)

1.一种高阻器件与介质材料电流噪声测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将待测的若干高阻值样品放入适配器中，通过对样品适配器施加偏置电压以激发出样品的电流噪声信号；

(2)根据需要分析的样品数量选择要开启的采集通道数，并开启相应通道上的低噪声电流放大器，调节低噪声电流放大器的放大倍数至A₀，其步骤操作过程是：将低噪声电流放大器的放大倍数从1倍开始逐渐提高，在确保放大后的信号幅值在数据采集卡量程之内的条件下，使放大后的信号逐渐增大，记录最终所调到的放大倍数A₀；

(3)通过数据采集卡采集放大后的信号，并通过傅里叶变换计算所采集的电流噪声信号的功率谱密度S₀(f)，函数中变量f是频率，其步骤操作过程是：

(3a)当经步骤(2)后的低噪声电流放大器的放大信号稳定之后，开始在软件中设置数据采集卡采样频率f_sample、信号加窗处理方式、傅里叶变换时的信号平均次数M，采样频率的选择根据所需采集的电流噪声信号的上限频率f_H设定，满足等式f_sample≥2f_H，平均次数M的选取范围为32≤M≤256；

(3b)参数设置完毕后，触发采集功能，通过软件实现时域信号采集和时域信号傅里叶变换同步进行，得到电流噪声信号的功率谱密度S₀(f)；

(4)获取低噪声电流放大器在步骤(2)中设置的放大倍数下的幅频特性曲线即电流有效值随信号频率变化的函数曲线I(f)，其步骤操作过程是：

(4a)将低噪声电流放大器放大倍数调至步骤(2)中测试样品时所调到的放大倍数A₀；

(4b)设置锁相放大器高精度交流信号源输出端电压有效值V₀，将一标准 电阻器R₀的一端串接入交流信号源输出端，此时若电阻器R₀另一端也串接入交流信号源输出端，则可得到流经电阻器R₀的电流有效值为 

(4c)将电流I₀输入至低噪声电流放大器的输入端，即将锁相放大器交流信号源输出端、电阻器R₀和低噪声电流放大器串联形成回路，再将放大后的正弦交流信号A₀I₀输入至锁相放大器的信号输入端；

(4d)调整V₀的大小，使放大后的正弦交流信号有效值在锁相放大器的量程V_max之内，即使下式成立： 

(4e)开启锁相放大器的扫频功能，保持V₀的幅度不变，将信号V₀的频率从零开始以一定的步长递增，一直递增到信号高频截止频率的10倍或100倍之间的某个频点值，锁相放大器会由此得到低噪声电流放大器对频率不同而幅度相同的信号的响应，即低噪声电流放大器在放大倍数A₀下的幅频特性曲线I(f)；

(4f)对所有数据采集通道重复上述(4a)至(4e)步骤，测得其它每个正在使用中的通道上低噪声电流放大器的幅频特性曲线I(f)；

(5)从步骤(4)获得的幅频特性曲线I(f)中提取低噪声电流放大器在该放大倍数下的归一化曲线Q(f)，并利用Q(f)还原步骤(3)中的被衰减的功率谱密度S₀(f)，得到还原后频带展宽的功率谱密度S(f)，其步骤操作过程包括：

(5a)通过公式 

得到归一化函数Q(f)；

(5b)通过下式的计算得到还原后频带展宽至低噪声电流放大器高频截止频率的10倍至100倍之间的功率谱密度S(f)：

(6)利用曲线拟合和参数提取方法对S(f)进行分析，研究高阻值样品的可 靠性或进行产品筛选，其步骤操作过程包括：

(6a)根据样品噪声的功率谱密度公式 

对还原后的功率谱密度曲线进行曲线拟合，计算下列参数的值：A、B、C、γ、α、f₀；

(6b)对已存盘的时域信号数据进行爆裂噪声分析，检测样品是否含有爆裂噪声；

(6c)根据(6a)中计算出的参数和(6b)中的分析结果来筛选器件或进行可靠性研究；

(7)通过软件生成分析结果的报表。 

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