高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--高阻器件噪声测试技术

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第三章高阻器件噪声测试技术
          3.1高阻样品噪声测试问题分析
          研究者们发现当噪声的研究扩大至诸如电容器，MOS器件栅氧化层，高阻值电阻器之类的高阻器件或高阻材料范围时，传统的噪声测试技术不再行之有效，出现了诸多新的技术问题和挑战。
       
        （1）高源阻抗使电压噪声信号衰减
          传统测试电压噪声的测试方法无法使信号充分放大。在放大器输入阻抗固定的情况下，过大的测试样品阻值会导致微弱的噪声信号不能充分放大，影响信号提取。具体说明见下图；
           

       
       

         
        r为信号源阻抗，R为放大器输入阻抗，通常这个数值在数十MΩ到数百MΩ甚至上GΩ，E为噪声信号。根据欧姆定律可知，当r值不大，即所测样品为中阻样品时，噪声信号电压几乎全部落在放大器输入阻抗上，信号无衰减的被放大器捕获。但当r的大小达到和R可比拟的范围或甚至比R大的范围时，落在R上的信号电压就会变为E的几分之一甚至是百分之一。由于噪声信号电压本来就是微弱信号，其值的几分之一甚至是百分之一就会变得更加微弱，甚至达到与背景噪声可比拟的量级，再加上数据采集卡的精度有限，这就会影响到后期信号模数转换时的信号提取精度。
       
        （2）高偏置电压条件会降低耦合电容寿命甚至使耦合电容击穿
          当器件阻值过高时，若采用传统测电压噪声的方法，可能需要在器件两端加较大的直流偏置电压，以激发出明显而可测的低频噪声。这样就会在测试条件上产生如下两个限制：首先，放大器采集信号时无法使用直流耦合，这样就会导致无法测到非常低频的信号；其次，即便采用交流耦合方式，耦合电容上承受的压降过高，有可能会超过电容的额定电压，击穿电容；承受过高的电压也会影响耦合电容的寿命。
          （3）电流噪声信号带宽过窄国外针对MOS栅氧化层漏电流噪声的测试电路如图3.2所示。该方法通过在栅氧化层上施加一定偏置电压测电流噪声。
           

       

         
       
        图3.2中下部的bias stage是一个典型的有源滤波器，用来滤除来自直流源的交流干扰，保证测试结果中只包含测试样品的噪声信号。图3.2上部的DUT是待测样品。基于TLC070的放大电路被搭建成跨阻放大器的模式，将栅漏电流信号转变为成比例的电压信号。
       
        图3.2中的测试方法存在信号通频带过窄的问题。由于同样偏压下高阻器件的电流噪声会非常微弱，因而放大倍数通常设置的很大，在放大器带宽增益积一定的情况下就导致了带宽较低，从图3.3中的SR570的带宽和增益的关系图中就可以看出这一点。
           

       

           
          （4）电容漏电流噪声高频被衰减
          已有针对电容的测试技术的原理图如图3.4所示：
           

       

        流过待测电容C 1的噪声漏电流会在R1上产生一个噪声电压压降，放大器测试的是R1上的噪声电压信号。R1选用大阻值绕线电阻，但相对于放大器，R1相当于低源阻抗，这样信号就不会被衰减，而且由于R1被认为是无噪声的，这样来自R 1的噪声信号就是C 1的噪声信号。
         
        图3.4中的方法存在如下问题：由于R l和C 1形成了一个低通滤波网络，因此当角频率ω≥1/ R1C1时，信号会由于滤波网络的存在而衰减，形成下图所示的频谱图：
           
         
           
          可以看到信号从200Hz开始严重衰减，即便放大器的放大倍数再小，频带再大也无法改变衰减。由此可见该方法的严重缺陷同样是无法观察到更高频率的频谱图像。
       
        （5）对称电位测试方法无法测单个器件
           

       

           
          已有针对高阻值电阻的噪声测试技术原理图如上图所示，R D为待测电阻，该电路一次测量两个电阻R D的噪声并且采用两个电压值相同的电池供电，J 1为一级放大，其从电路结构中我们可以看出，理论上两个电阻两端的电压可以无穷大，这是因为J 1的输入永远保持在接近零伏的电位，不会使放大器饱和。
       
        图3.6中的对称电位测试方法有如下的缺点：首先，它的一个严重缺陷是无法测单个器件的噪声；其次，他要求两个样品的阻抗完全相等，对于特别大阻值的电阻，由于其工艺精度有限，两测试样品阻值相等是极难做到的理想情况。
       
        （6）多级放大器噪声过大
          为了缓解电流放大器带宽过窄的问题，有研究者使用了多级放大的方法[6]，这样可以达到展宽带宽的效果，如图3.7所示。该方法将电流放大器作为第一级放大，适当减小第一级的放大倍数，由此展宽信号通频带。第一级减小的放大倍数由第二级电压放大器来补偿，从而确保噪声信号的在放大倍数总体不减小的情况下展宽通频带。
       
        虽然该方法可以展宽带宽，但是这是以增大系统本底噪声为代价，从而降低了测试精度，这种现象从下图中就可以看出：
         
       
        上图是SR570跨阻放大器的本底噪声和放大倍数的关系，可以明显的看到，当放大倍数降低时，系统本底噪声会大幅增加，严重限制了测试系统的精度，这样的测试系统难以测到较低的噪声。我们经过实际测试发现在大多数的测试中，该二级放大电路的本底噪声远大于待测信号，无法使用。