高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--用于聚合物鉭電容的漏電流噪聲研究

4.4電流噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于聚合物鉭電容的漏電流噪聲研究

4.4.1有機(jī)聚合物鉭電容的特點(diǎn)

有機(jī)聚合物鉭電容被廣泛應(yīng)用于宇航電子設(shè)備以及其他對(duì)可靠性或性能有較高要求的電子設(shè)備中。該器件采用導(dǎo)電率較高的有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料作為電容陰極代替了傳統(tǒng)鉭電解電容的二氧化錳陰極，實(shí)現(xiàn)了非常低的電容ESR值，更加優(yōu)異的頻率特性和溫度特性以及更長(zhǎng)的使用壽命，因而具有更高的可靠性。有機(jī)聚合物鉭電容是常見極性電容中性能最優(yōu)異的產(chǎn)品，其性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁電解電容或鉭電解電容。

4.4.2電流噪聲測(cè)試和漏電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

本文改進(jìn)并簡(jiǎn)化了已有絕緣介質(zhì)漏電流測(cè)試方法，采用如圖4.12所示的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量聚合物鉭電容的漏電流噪聲信號(hào)。首先給待測(cè)樣品施加一直流偏置電壓V，然后通過SR570電流放大器將流過電容的微弱漏電流噪聲信號(hào)放大，得到放大后的時(shí)域信號(hào)I（t）并通過計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)采集卡采集該放大后的信號(hào)，之后在Labview軟件平臺(tái)下通過快速傅里葉變換將時(shí)域上的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域上的電流功率譜密度SI（f）。然后本方案采用3.3.2節(jié)中提到的測(cè)試方案中的歸一化函數(shù)對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。通過改變偏置電壓V我們可以測(cè)得不同偏壓下的電容漏電流噪聲。

在漏電流測(cè)試驗(yàn)中，我們采用半導(dǎo)體參數(shù)儀Keithley 4200-CSC測(cè)試了不同偏置電壓下聚合物鉭電容的漏電流，即器件的I-V特性。

4.4.3聚合物鉭電容的漏電流輸運(yùn)機(jī)理及噪聲特性

（一）漏電流與噪聲之間的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了標(biāo)稱容量10uF，實(shí)際容量9.42uF的聚合物鉭電容在不同偏置條件下的漏電流和漏電流噪聲，結(jié)果分別在表4.7和圖4.13中。從數(shù)據(jù)中可以看出聚合物鉭電容的電流噪聲功率譜密度與漏電流幅度變化的單調(diào)性一致，都是先減小后增大。已有文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)也顯示傳統(tǒng)鉭電解電容電流噪聲功率譜密度與漏電流幅度的一次方至四次方成正比。

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與已有文獻(xiàn)中傳統(tǒng)鉭電解電容電流噪聲與漏電流的比例關(guān)系一致。雖然聚合物鉭電容與傳統(tǒng)鉭電解電容的結(jié)構(gòu)和陰極材料不一樣，但二者電流噪聲與漏電流的關(guān)系相同，這可能說明導(dǎo)致聚合物鉭電容電流噪聲的主要機(jī)制與傳統(tǒng)鉭電容一樣，在介質(zhì)材料Ta₂O₅中，而非陽極或陰極材料中。

由于電流噪聲反映的是微觀載流子的漲落，而漏電流又直接與器件中的自由載流子濃度成正比，所以我們結(jié)合本試驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：聚合物鉭電容中構(gòu)成漏電流輸運(yùn)的自由載流子的濃度越大，其漲落也越大。

（二）漏電流輸運(yùn)機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)對(duì)多種不同型號(hào)的聚合物鉭電容進(jìn)行了漏電流與偏置電壓的I-V曲線測(cè)試，在各種樣品中均發(fā)現(xiàn)了漏電流隨偏壓先減小后增大的變化規(guī)律。

圖4.14是本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的10uF聚合物鉭電容在不同偏壓下的漏電流特性。

從圖中我們可以看到漏電流并不會(huì)隨著偏壓的增大而單調(diào)變化，而是先減小后增大。這與文獻(xiàn)中傳統(tǒng)鉭電解電容的電流噪聲隨偏壓的升高而單調(diào)遞增的結(jié)果不一致。

產(chǎn)生電容漏電流的機(jī)制有很多種，主要機(jī)制有FN隧穿、直接隧穿、Frenkel-Poole發(fā)射、Schottky發(fā)射。除此之外離子輸運(yùn)電流、歐姆輸運(yùn)電流也會(huì)對(duì)漏電流有一定影響。在傳統(tǒng)鉭電容中，漏電流主要是由Frenkel-Poole發(fā)射導(dǎo)致。

上式中，A是比例系數(shù)，Φ表示絕緣層中陷阱的勢(shì)壘深度，ε是絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)。從（4-2）式我們可以看出，在溫度一定的情況下，絕緣層中電流密度會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而變大，而且電場(chǎng)強(qiáng)度越大，F(xiàn)renkel-Poole發(fā)射的作用越明顯。

根據(jù)（4-3）式，如果聚合物鉭電容中起主導(dǎo)作用的漏電流輸運(yùn)機(jī)制也是Frenkel-Poole發(fā)射，則電容的漏電流會(huì)隨著偏壓的增大而不斷增大[35]。所以從圖4.14中漏電流隨偏壓的變化趨勢(shì)可以看出在聚合物鉭電容漏電流輸運(yùn)機(jī)理中，起主導(dǎo)作用的并非僅僅是Frenkel-Poole發(fā)射。

圖4.14中的現(xiàn)象可以用聚合物鉭電容中的Frenkel-Poole發(fā)射和高分子有機(jī)聚合物蒸發(fā)導(dǎo)致的導(dǎo)電回路的中斷這兩種機(jī)制來解釋。這兩種機(jī)制共同作用于漏電流輸運(yùn)機(jī)制，并且二者是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。