CN1034275A - 晶体管噪声成份分析与测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体器件低频噪声成份分析 方法及相应的测试系统。特别是代有微型机处理的 自动测试系统。该发明对用低频噪声来预测器件长 期使用的可靠性，从而为半导体器件的可靠性筛选， 提供一种快速、无损、可靠的新方法。为此，该发明首 次实现了低频噪声成份的准确，而又定量的分析，为 建立半导体器件噪声理论、器件内在缺陷分析、可靠 性筛选均都具有开凿性的贡献。

Description

本发明涉及一种对晶体管低频噪声成份的分析方法及相应的测试系统，特别是代有微机处理的自动测试系统。

对晶体管的低频噪声成份（包括白噪声、1/f噪声、及g-r噪声）的大小及转折频率分析，是了解器件表面与体内缺陷，研究器件的噪声机理及对不可靠半导体器件的无损、快速筛选的一种重要方法。该发明对世界专利索引检索，没有见到有对低频噪声各成份的定量分析的切题文献。检索工程索引，其中只有一篇比较相近，其题目：

“借助子低频噪声测量对（AlGa）AS-GaAS2-D空气管进行深能级分析。”

（原文：“Deep-levelanalgsis    in（AlGa）AS-GaAS2-d    electron    gas    devi-ces    by    means    of    law    freguouey    mise    measuremonfs”）。

该文对（AlGa）AS-GaAs元件低频噪声中的g-r噪声成份分析采用的方法，是从噪声谱曲线中观察，由g-r噪声引起的凸起来识别，不仅观察不明显，而且所确定的转折频率f_o也很困难，因此，无法求出g-r噪声、1/f噪声、及白噪声的幅度。关于相应的测试系统，经检索，在现有技术中如美国的HP4470晶体管、场效应管噪声分析仪，它不能完成半导体低频噪声成份的分析、它对噪声谱的测试，只能是用人工来改变频率，逐点来完成的，不仅测试时间长，而且非常不方便。其测试最低频率是10HZ，对噪声测量仪的放大器增益K（f）校正均采用AGC方法，精度差。该发明可自动的完成低频噪声成份的定量分析，频率范围在0.25HZ～100KHZ，每频段设分辨点400点，平均次数N最小选为512次、及1024次，而对放大器的幅频特性K（f）自动测量后采用微机处理，自动显示和打印结果。然而精度高、使用方便。因此，从噪声的分析方法及相应的测试系统均为国内外首创。

本发明的主要任务：是要提供一种晶体管低频噪声成份的定量分析方法，并建立相应的定量的代有微机处理的测试系统。即用低频噪声来予测半导体器件长期使用的可靠性，从而为半导体器件的可靠性筛选，提供准确、快速、可靠的新手段。

本发明的任务是以如下方法实现的：

<ⅰ>建立半导体器件低频噪声成份分析方法：

根据器件等效输入电流噪声中求几个噪声分量：

S_i（f）＝A+ (B)/(f) + (C/f_o)/(1+(f/f_o)²)

（1）1/f噪声的幅度B，即表达形式B/f;

（2）g-r噪声的幅度C，转折频率f_o，即表达式 (C/f_o)/(1+(f/f_o)²)

（3）白噪声的幅度为A。

<ⅱ>噪声功率谱测试系统：

为了分析半导体器件的低频噪声成份，必须对等效输入噪声电流功率谱S_i（f）进行测量。如附图26所示：

由输入电路（包括被测的晶体管）、测量放大器，CF-920分析仪、IEEE-488接口电路、SUPer微型机、打印显示及正9伏电源组成。

被测晶体管噪声经测量放大器放大后，送入CE-920分析仪，做噪声功率谱S_i（f）测量，为了保证足够小的频率间隔，在0.25HZ-100KHZ范围内分三段频率区间测量：（a）0.25HZ-95HZ;（b）100HZ-4950HZ;（c）5000HZ-100KHZＫ胁馐允莨?15点，经过IEEE-488接口电路，送入计算机（SUPer）做相应的计算，求出fs_i（f），然后再通过噪声成份分析软件，求出噪声各种成份。如附图13为整个测试软件流程框图及其子程序如附图14-25。

（1）完成S_i（f）的测量的技术指标：

a）频率范围：0.25HZ-100KHZ

b）测量频率点数：315点。

c）测量精度：＜4%。

d）测量时间：1小时。

e）可测量最小电流噪声谱密度：

2.95×10^-13A/√HZ（I_b＝20μA;β＝62;f＝1HZ）。

（2）完成由S_i（f）中分离三种噪声成份的计算，打印工作，为此必须由计算机完成下述工作：

a）对S_i（f）进行变换fS_i（f）后，打印曲线，由此找出峰点对应的频率f_o如附图10（a、b）。

b）根据S_i（f）公式已知f_o后，即可选白噪声占主要成份以及1/f噪声占主要成份的两个频率点的S_i（f）值，求解联立方程，求出A、B、C。

c）打印显示：

附图1及附图2-9给出了整个分析方法的软件流程框图。

源电阻R_s选100KΩ，所以I² _nR² _n＞＞4KTR_s，所测得的E² _n为电流噪声。当对测不同管子的时候，均用调节I_b为20μA（或其它规定的值）。从而可以比较各器件的缺陷大小。用CF-920分析仪完成放大器频率响应的测量，由CF-920分析仪送出的扫描正弦波经放大器放大后又送回CF-920分析仪的输入端。自动求出K（f）的幅值。

本发明首次实现了对低频噪声成份的定量分析，对建立半导体器件噪声理论、器件内在缺陷分析、可靠性筛选都具有重要意义。该发明的特点：

<1>可以分析半导体低频噪声中的三种成份：白噪声、1/f噪声、及g-r噪声。

<2>可以完成0.25HZ-100KHZ范围内低频噪声成份的自动测试、分析，具有测量时间短、准确度高（系统误差小及随机误差小），测量过程全自动化。

<3>测量及分析结果，可通过显示、打印方式给出。

<4>本发明测量频率低频可在0.25HZ，每频假分辨点最多400点。

<5>本发明采用对放大器的幅频特性K（f）自动测量，然后用计算方法，即S_i（f）＝S_o（f）/K²R² _s求出，故准确度高。

<6>本发明采用512、1024次噪声谱统计平均，所以随机误差小。

然而本发明为国内外对非线性半导体器件的定量分析、研究，为建立半导体器件低频噪声理论作出了开凿性的贡献。

本发明的具体方法和结构由以下实施例及附图给出：

图1：数据处理软件框图;

图2：为图1的子程序1;

图3：为图1的子程序2、3、4、5、6;

图4：为图1的子程序11;

图5：为图1的子程序12;

图6：为图1的子程序21;

图7：为图1的子程序22;

图8：为图1的子程序221;

图9：为图1的子程序222;

图10：为噪声谱的频率特性图;

图11：为晶体管噪声E_n-I_n等效电路图;

图12（a、b）：为CF-920分析仪测试噪声随机特性图;

图13：为整个测试软件流程图;

图14：为图13的子程序1、2;

图15：为图13的子程序3;

图16：为图13的子程序4、5、……9;

图17：为图13的子程序11、12、……16;21、22、……27;

图18：为图13的子程序111;

图19：为图13的子程序113;

图20：为图13的子程序115;

图21：为图13的子程序112;

图22：为图13的子程序114;

图23：为图13的子程序116;

图24：为图13的子程序1111;

图25：为图13的子程序1112;

图26：为噪声功率谱测试系统框图。

下面结合附图，说明本发明所提出的具体方法及测试系统：

附图11为晶体管噪声等效电路，E_n-I_n噪声模型，R_s为电阻，E_n为等效输入电压噪声的有效值，I_n为等效输入电流噪声有效值。相应的功率谱密度（即单位带宽的E² _n与I² _n）分别为：

S_i（f）＝2qI_b+ (2qf_LI^r _b)/(f) + (KI² _b/f_o)/(1+(f/f_o))

上式中前项为白噪声（包括热噪声、及散弹噪声）、最后两项即为相应的1/f噪声、与g-r噪声，若器件有几个g-r噪声，则就分别有几个f_o，目的就要求出器件的1/f与g-r噪声的大小，从而求出反映缺陷程度的量，即f_L及K值，为此，对半导体器件的噪声成份的分析方法

（1）半导体器件低频噪声成份分析方法：

从已经测得的噪声功率谱S_i（f）即可以决定相应的白噪声、1/f噪声、及g-r噪声强度及缺限的大小。在现有技术中，是采用观察噪声谱在某一频率点的凸起来识别的，如附图10中（a），对于较小的凸起，甚至没有凸起，而同样有g-r噪声，因此在本发明的方法采用对S_i（f）作变换：

fS_i（f）＝Af+B+ (Cf/f_o)/(1+(f/f_o)²)

可见g-r噪声明显反映在曲线的凸起。当无g-r噪声时，fS_i（f）＝Af+B为一条直线Ⅰ。当有g-r噪声时fS_i（f）曲线有峰起，对此求导：

(d)/(df) (C/f_o)/(1+(f/f_o)²) ＝0

得峰点频率为f_o，大、小为C/2，故本发明采用计算机处理，首先找出fS_i（f）曲线的峰点（如附图10中（b），可见g-r噪声明显反映在曲线凸起）。如有几个f_o，即有几个g-r噪声。然后再根据被测数据求出A、B、C值。从而完成了低频噪声成份分析。为私徊降奶岣咦既范鹊姆治鼋峁丶谟诙栽肷撞饬康木龋静馐韵低巢捎肅F-920测得的噪声谱，采用512次、1024次平均值，采用微机自动测试系统，如附图1为数据处理软件框图，及其子程序，如附图2-9。完成的结果使相对误差小于4%，尽管看来，时间较长一些，但在微弱信号系统中，与现有技术中相对比，测试时间是很短的，特别是换取来准确度的提高。

（2）半导体器件低频噪声功率谱的测试系统。

如附图26所示，由输入电路（1），其接于测量放大器（2）、CF-920分析仪（3）、TEEE-488接口电路（4）、及微型机SUPer（5）和输出端打印机（6）及正9伏电源组成半导体噪声功率谱测试系统。

附图26为等效输入噪声电流功率谱S_i（f）测试系统的框图，本测试系统不仅保证了硬件系统实现，而且要编制相应的测试软件，保证测试系统有尽量高的测量精度及较短的测试时间，为此其测试的技术指标：

（1）频率范围：0.25HZ～100KHZ

（2）测量点数：315点

（3）测量精度：＜4%

（4）测量时间：1小时

（5）可测量最小电流噪声密度：2.95×10^-13A/√HZ

测试条件：I_b＝20μA

β＝62

f＝1KHZ

经过CF-920分析仪、噪声功率谱S_o（f）测量，将频率分为三个频段区间：

（1）0.25Hz～95Hz

（2）100Hz～4950Hz

（3）5000Hz～100KHz

所有测试数据共315点，经IEEE-488接口电路，送到计算机（Super）做相应的计算求出fS_i（f），然后通过噪声成份分析元件，求出噪声的各种成份，如附图13为整个测试软件流程框图，其附图14-25为测试软件流程框图的子程序。本系统是为了研究器件可靠性与低频噪声关系而研制的，如果本系统用于工厂现场，并不需要测量整个噪声谱，而仅需测几个g-r噪声的特征点（如1HZ、20HZ、500HZ……）则测量仪器及测量时间均可大大缩短及简化。

然而本发明是首次实现低频噪声成份的定量分析，对建立半导体器件噪声理论、半导体器件表面及内部缺陷研究，可靠性筛选，等均具有重要意义。

Claims (6)

1、一种半导体器件噪声分析方法及测试系统，其特征在于：

(a)根据测得的半导体噪声功率谱S₁(f)，决定相应的白噪声、1/f噪声、g-r噪声，为此根据：

$S_1\mathrm{(f\; )=A\; +}\frac{B}{f}+\frac{{\mathrm{C/f}}_o}{{\mathrm{1+(f\; /f}}_o{)}^2}$

当I_b为一固定值时：则B、C分别反映了1/f噪声、g-r噪声强度和缺陷的量级。

(b)对S_i(f)作变换，即fS_i(f)=Af+B+ (Cf/C_O)/(1+(f/f_O)²)

当：无g-r噪声时：fS_i(f)=Af+B，为一条直线。

当：有g-r噪声时：fS_i(f)曲线有峰起，对此求导：

$\frac{d}{\mathrm{df}}(\frac{{\mathrm{Cf\; /f}}_o}{{\mathrm{1+(f/f}}_o{)}^2}\mathrm{)\; =0}$

得峰点频率为f₀，大、小为C/2。

(c)采用代有微型机的处理系统[5]。

(d)由输入电路[1]、测量放大器[2]、CF-920分析仪[3]、IEEE-488接口电路[4]、微型机[5]、打印显示[6]组成半导体低频噪声成份分析及自动测试系统。

2、按权利要求1所述的噪声分析方法及相应的测试系统，其特征在于：可自动打印0.25Hz-100KHz范围内1/f、g～r噪声及白噪声成份（幅度及转折频率）。

3、按权利要求1或2所述的噪声分析方法及相应的测试系统，其特征在于：测量精度＜4%。

4、按权利要求1或3所述的噪声分析方法及相应的测试系统，其特征在于：可测最小电流噪声谱密度2.95×10^-13A/√HZ。

5、按权利要求1或3、或5所述的晶体管噪声成份分析方法及相应的测试系统，其特征在于：代有自动显示和打印装置的微机系统。

6、按权利要求1或6、所述的晶体管噪声成份分析方法及相应的测试系统，其特征在于：对功率谱S_i（f）中，平均次数N选为512、1024次。

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