高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測(cè)試技術(shù)理論（一）

噪聲信號(hào)雖然微弱但其包含信息豐富，由不同機(jī)理產(chǎn)生的電流噪聲具有不同的頻率分布特性。由于一般導(dǎo)電樣品中噪聲信號(hào)十分微弱，因此對(duì)樣品噪聲進(jìn)行有效的分析需要放大倍數(shù)足夠大和頻帶范圍足夠?qū)挼姆糯笃鲗?duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行充分放大。研究表明電子器件與材料中噪聲主要由三種噪聲成分組成，分別為白噪聲（主要為熱噪聲和散粒噪聲）、1/f噪聲和G-R噪聲。噪聲的功率譜密度公式如下：

等式右邊多項(xiàng)式中的三項(xiàng)代表電流噪聲是由三種噪聲成分組成的，其中A為白噪聲幅度，B為1/f噪聲的幅度，γ為頻率指數(shù)因子，C為g - r噪聲的幅度、f 0和α分別為g- r噪聲轉(zhuǎn)折頻率和指數(shù)因子；等式左邊的S（f）是噪聲的功率譜密度，其中f是頻率。由于上述三種噪聲分布在低頻段，所以我們通常關(guān)注的是器件的低頻段的噪聲，簡稱低頻噪聲。

2.1.2噪聲的物理理論基礎(chǔ)

器件常見噪聲的完整分類如圖2.2所示。電子器件中的低頻噪聲可分為四類：熱噪聲、散粒噪聲、g-r噪聲和1/f噪聲。這四種噪聲的性質(zhì)各不相同，噪聲測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用中主要考慮g-r噪聲和1/f噪聲，因?yàn)檫@兩種噪聲與器件的缺陷直接相關(guān)，是低頻噪聲研究領(lǐng)域中的主要研究對(duì)象。

2.1.2.1熱噪聲

熱噪聲是一種在電阻性元件中普遍存在的噪聲。處于絕對(duì)零度以上的導(dǎo)體中的載流子都會(huì)做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，載流子這種無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)就是熱噪聲的微觀表現(xiàn)。大量載流子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的總體效應(yīng)就是器件兩端電壓（或電流）的起伏。

載流子這種無規(guī)則的起伏就是熱噪聲，這種噪聲又稱為Johnson噪聲，以紀(jì)念最早發(fā)現(xiàn)它的科學(xué)家Johnson.熱噪聲的完全表達(dá)式如（2-2）式所示：

上式中f是頻率，k為玻爾茲曼常數(shù)，R為等效電阻，T為溫度（2-2）式中p（f）成為普朗克因子，由下式定義：

上式就是在一般的頻率和溫度下，熱噪聲的表達(dá)式，E的單位為V ²。

從以上理論中我們可以看到熱噪聲的一些特性。由（2-4）式我們可以看到熱噪聲在功率譜密度曲線上為一條直線。如果已知器件的等效電阻，便可計(jì)算出器件在不同溫度下的熱噪聲，而不需要實(shí)際測(cè)量，這一點(diǎn)與1/f噪聲需要實(shí)際測(cè)試才能得到有很大不同。根據(jù)（2-4）式還可以計(jì)算出器件的等效噪聲電壓（或電流）。這種由熱噪聲導(dǎo)致的等效噪聲電壓（或電流）在給定的溫度下，是無法消除的，因而在一些傳感器當(dāng)中，由熱噪聲導(dǎo)致的等效噪聲電壓（或電流）直接決定了系統(tǒng)的分辨率。降低噪聲測(cè)試系統(tǒng)中放大器本底噪聲的一種手段就是將整個(gè)系統(tǒng)置于液氮或液氦的低溫系統(tǒng)之中，通過降低溫度來降低熱噪聲，提高系統(tǒng)分辨率。值的注意的一點(diǎn)是，熱噪聲是一種普遍現(xiàn)象，這是由物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的本性決定的，因此不管是否給器件施加直流偏壓，器件中的熱噪聲都是存在的。測(cè)試了不同柵材料的低頻噪聲，以噪聲量級(jí)作為指標(biāo)，尋找低噪聲的材料來改進(jìn)工藝。第三，應(yīng)用于可靠性表征。器件尺寸縮小后，MOS電容中各種隧穿電流（FN隧穿，直接隧穿，由電應(yīng)力導(dǎo)致的氧化層陷阱隧穿）噪聲對(duì)系統(tǒng)影響越來越明顯。有研究者研究了各種隧穿電流噪聲與CMOS超大規(guī)模集成電路可靠性之間的關(guān)系。