電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有方法忽視了微弱的噪聲缺陷信號(hào)、降低了低頻電噪聲缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確性的問題，該文提出一種新型電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)。首先，完成低頻電噪聲放大和采集工作，其次，提取電子元器件低頻電噪聲基本參量，將電子元器件的相關(guān)參量提取出來，擬合為噪聲頻譜及時(shí)間信號(hào)。最后，檢測(cè)電子元器件內(nèi)部散粒噪聲，分析電子元器件電阻中導(dǎo)電不連續(xù)微粒的電流信號(hào)，得到晶體管內(nèi)的熱噪聲、白噪聲特性，使電子元器件的噪聲缺陷檢測(cè)更全面。利用試驗(yàn)證明所提技術(shù)的先進(jìn)性，試驗(yàn)結(jié)果表明，所提技術(shù)噪聲缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確性更高，能夠應(yīng)用于實(shí)際生活中。

關(guān)鍵詞：電子元器件；低頻電噪聲；噪聲缺陷；檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP 393.08" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)

為了對(duì)電子元器件低頻電噪聲缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，應(yīng)先做好其數(shù)據(jù)采集工作，本次先對(duì)電子元器件的低頻電噪聲進(jìn)行放大，然后再對(duì)其進(jìn)行采集?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有電流放大器，利用其在特定放大倍數(shù)下的傳輸函數(shù)進(jìn)行信號(hào)還原計(jì)算。將原本被放大器無法正常放大而衰減的高頻信號(hào)計(jì)算還原，以達(dá)到擴(kuò)展測(cè)試頻率的目的。具體操作步驟如下。首先，鎖相放大器輸出進(jìn)行等幅掃頻，將掃頻信號(hào)輸入電流放大器。其次，在不同頻率下測(cè)試放大器輸出信號(hào)幅度，從而得到放大器對(duì)頻率不同響應(yīng)，即放大器的幅頻特性曲線函數(shù)I（f）。最后，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化函數(shù)，如公式（1）所示。

（1）

式中：A0為放大倍數(shù)；I0為掃頻信號(hào)有效值。最后將歸一化函數(shù)與噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到其器件噪聲S0（f），以此來得到還原后展寬后信號(hào)功率譜密度，如公式（2）所示。

（2）

電子器件低頻電噪聲放大后，本次基于DMA雙緩沖技術(shù)采集和存儲(chǔ)噪聲數(shù)據(jù)。DMA雙緩沖技術(shù)是在數(shù)據(jù)傳輸期間使用2個(gè)緩沖區(qū)來交替接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)正在接收數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)緩沖區(qū)可以同時(shí)進(jìn)行處理或被讀取。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理或讀取操作，提高了系統(tǒng)的效率。本次在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)用的總線控制器是一個(gè)內(nèi)建的PLX IOP-480 PLC控制器，它將所采集的數(shù)據(jù)直接傳送至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存而不經(jīng)過CPU，從而減少了數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)存及微機(jī)上的消耗。對(duì)于雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸來說，數(shù)據(jù)緩沖是數(shù)據(jù)采集卡上的循環(huán)緩沖，它可以分為相等的2個(gè)部分。當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡開始將數(shù)據(jù)寫進(jìn)循環(huán)緩沖的第一部分時(shí)，雙緩沖操作開始了。當(dāng)卡開始往循環(huán)緩沖的第二部分寫進(jìn)數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可將第一部分緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)的傳輸緩沖中。此時(shí)，用戶可根據(jù)應(yīng)用程序的需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)采集卡將循環(huán)緩沖的第二部分寫滿后，它將回到第一部分緩沖區(qū)，并覆蓋原數(shù)據(jù)。此時(shí)，用戶可以將循環(huán)緩沖中第二部分的數(shù)據(jù)送入傳輸緩沖。這個(gè)過程可以無限地重復(fù)下去，從而為應(yīng)用程序提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。由此完成電子元器件低頻電噪聲數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。

1.1 提取電子元器件低頻電噪聲基本參量

在完成電子元器件低頻電噪聲數(shù)據(jù)采集后，提取低頻電噪聲的基本參量[1]。電子元器件噪聲信號(hào)包括等效電壓噪聲與等效電流噪聲，將其劃分為等效輸入噪聲，避免噪聲缺陷提取遺漏的問題[2]。等效輸入噪聲是根據(jù)輸出噪聲得出的，電子元器件自身信號(hào)傳輸特性較為穩(wěn)定，不易發(fā)生變化。噪聲系數(shù)為變量，如公式（3）所示。

（3）

式中：NF為低頻電噪聲的噪聲系數(shù)；N0為有效輸出噪聲功率；G為電子元器件功率增益；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；?f為帶寬頻率。傳輸函數(shù)如公式（4）所示。

（4）

式中：Av（f）為電壓傳輸函數(shù)；u0（f）為元器件輸出端電壓值；ui（f）為元器件輸入端電壓值。

由此擬合噪聲參量，見表1[3]。

本文將電子元器件的輸出噪聲、等效輸入噪聲、噪聲系數(shù)和傳輸函數(shù)等參量提取出來，并擬合噪聲頻譜及時(shí)間信號(hào)，作為缺陷檢測(cè)的基礎(chǔ)信號(hào)，以保證低頻電噪聲缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性，其步驟如下。

使用頻譜分析儀或噪聲測(cè)量儀對(duì)電子元器件的輸出噪聲和等效輸入噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析。

根據(jù)測(cè)量得到的信號(hào)功率和噪聲功率，利用熱噪聲法計(jì)算電子元器件的噪聲系數(shù)。假設(shè)電子元器件的噪聲功率譜密度為Pn（f），信號(hào)功率為PS，那么噪聲系數(shù)Nf的計(jì)算過程如公式（5）所示。

（5）

使用信號(hào)源和示波器，通過輸入不同頻率的信號(hào)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，計(jì)算電子元器件的傳輸函數(shù)，如公式（6）所示。

（6）

式中：f為輸入信號(hào)頻率；X（f）為輸入信號(hào)；Y（f）為輸出信號(hào)。該函數(shù)也可利用網(wǎng)絡(luò)分析儀等專業(yè)設(shè)備通過測(cè)量傳輸函數(shù)得到。

將測(cè)量或模擬得到的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過傅里葉變換法處理，得到噪聲的頻譜圖形。

利用頻譜分析方法，對(duì)擬合得到的噪聲頻譜和時(shí)間信號(hào)進(jìn)行分析，以便于檢測(cè)和診斷低頻電噪聲缺陷。

綜上所述，提取電子元器件低頻電噪聲基本參量。

1.2 檢測(cè)電子元器件內(nèi)部散粒噪聲

在提取低頻電噪聲基本參量后，完成其內(nèi)部散粒噪聲檢測(cè)工作，以實(shí)現(xiàn)電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)。散粒噪聲是電子發(fā)射不均勻性引起的噪聲，是電子元器件低頻電噪聲缺陷的關(guān)鍵因素[4]。散粒噪聲檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，將待檢測(cè)的電子元器件放在檢測(cè)樣本的位置上，利用低頻電噪聲放大器放大噪聲信號(hào)，提取噪聲缺陷信號(hào)的特征，從而滿足散粒噪聲檢測(cè)需求。散粒噪聲引發(fā)高直流偏置，直流電流流經(jīng)等效源電阻時(shí)，產(chǎn)生的電壓就是參考電壓[5]。為了使電子元器件的電路達(dá)到平衡，參考電壓設(shè)定如公式（7）所示。

Vb=RrIr" " " " " " " " " " " " " " "（7）

式中：Vb為電子元器件的參考電壓；Rr為等效源電阻；Ir為直流電流。當(dāng)元器件僅存在熱噪聲時(shí)，等效電流噪聲如公式（8）所示。

（8）

式中：Id為等效電流噪聲；Vn為等效電壓噪聲；Tx、Tr為參考電阻所處溫度；Rd為熱噪聲；r為白噪聲。當(dāng)Id＞Ir時(shí)，散粒噪聲成為器件的主要噪聲缺陷，功率譜密度與電流成正比，則功率譜密度如公式（9）所示。

（9）

式中：Id（Vn）為功率譜密度；κ為偏置函數(shù)；SI為白噪聲。通過對(duì)電子元器件電阻中導(dǎo)電不連續(xù)微粒的電流信號(hào)進(jìn)行分析，并得到晶體管內(nèi)的熱噪聲、白噪聲特性，使電子元器件的噪聲缺陷檢測(cè)更全面，由此設(shè)計(jì)的噪聲缺陷檢測(cè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)功能。

2 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法是否滿足電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)的精準(zhǔn)性需求，對(duì)上述方法進(jìn)行試驗(yàn)。最終的試驗(yàn)結(jié)果則以基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)、基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)，以及本文設(shè)計(jì)的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。具體的試驗(yàn)準(zhǔn)備過程以及最終的試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)以GaAs為襯底的808nm條形激光二極管，作為低頻電噪聲缺陷檢測(cè)的電子元器件。該元器件采用LP-MOCVD技術(shù)，在n+-GaAs襯底上生長。其外延層結(jié)構(gòu)見表2。

激光二極管的外延層包括帽層、p-限制層、上波導(dǎo)層、間隔層、量子阱、間隔層、下波導(dǎo)層、n-限制層、緩沖層以及襯底等結(jié)構(gòu)（見表2）。當(dāng)激光二極管處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，該元器件的電噪聲時(shí)域波形如圖2所示。

如圖2所示，在0.02s～0.08s處，噪聲形態(tài)存在變化，此處為低頻噪聲缺陷的位置。本文將電流噪聲功率譜密度、電壓噪聲功率譜密度作為缺陷檢測(cè)指標(biāo)。其中，電流噪聲功率譜密度超過5×10-9A2/Hz，電壓噪聲功率譜密度超過7×10-8V2/Hz，即可判定電子元器件存在低頻電噪聲缺陷。根據(jù)電流噪聲功率譜密度與電壓噪聲功率譜密度的實(shí)際值，判斷噪聲缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性，能夠有效地避免噪聲缺陷檢測(cè)的漏檢、錯(cuò)檢問題。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在上述試驗(yàn)條件下，二極管在注入條件下，電子從半導(dǎo)體注入金屬的電流，與電子從金屬注入半導(dǎo)體引起的電流，均為獨(dú)立隨機(jī)穿過結(jié)勢(shì)壘的載流子組成，屬于低頻電噪聲缺陷的散粒噪聲。將二極管的電流、電壓以及等效源阻抗進(jìn)行分析，確定電壓噪聲功率譜密度與電流噪聲功率譜密度。并將基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)值、基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)值，以及本文設(shè)計(jì)的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

本次試驗(yàn)等效輸入背景噪聲約為5.44×10-9V2/Hz，背景噪聲低于測(cè)試噪聲約一個(gè)數(shù)量級(jí)（見表3）。根據(jù)不同電流下正向電流電壓特性得到等效源阻抗，能夠滿足本次試驗(yàn)需求。在其他條件一致的情況下，使用基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)，在4.70mA、21.70mA、30.11mA以及38.54mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度的實(shí)際值與檢測(cè)值之間存在±0.5×10-8V2/Hz的差異；電流噪聲功率譜密度的實(shí)際值與檢測(cè)值之間同樣存在±0.5×10-8V2/Hz的差異。由此可見，使用該方法后，噪聲缺陷檢測(cè)的誤差相對(duì)較大，影響電子元器件的正常運(yùn)行。

使用基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)，在12.60mA、46.99mA、55.45mA以及63.94mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度、電流噪聲功率譜密度的實(shí)際值與檢測(cè)值之間存在±0.1×10-8V2/Hz以內(nèi)的差異，檢測(cè)準(zhǔn)確性與基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)相比有所提升，但是檢測(cè)誤差仍然較大，亟需對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。而使用本文設(shè)計(jì)的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)，在31.52mA、42.36mA、72.40mA以及80.87mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度、電流噪聲功率譜密度的實(shí)際值與檢測(cè)值之間僅存在±0.01×10-8V2/Hz以內(nèi)的差異，大部分檢測(cè)值與實(shí)際值保持高度一致，可以滿足電子元器件低頻電噪聲缺陷的檢測(cè)需求，保障電子元器件安全使用。

3 結(jié)語

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件在各種設(shè)備和系統(tǒng)中起到了重要的作用。由于電子元件在制造、材料等方面的限制，經(jīng)常存在一些低頻電噪聲缺陷。這類缺陷不僅影響了電子設(shè)備的性能，還可能降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此，本文對(duì)電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。首先，對(duì)對(duì)電子器件低頻噪聲進(jìn)行放大，基于DMA雙緩沖技術(shù)完成噪聲數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，其次，從噪聲參量提取、散粒噪聲檢測(cè)2個(gè)方面來分析電子元器件低頻電噪聲缺陷，實(shí)現(xiàn)電子元器件內(nèi)部缺陷檢測(cè)功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法將頻率低于1MHz的電噪聲全部提取出來，檢測(cè)效果優(yōu)于對(duì)比方法，應(yīng)用效果較好，可為電子元器件的正常使用提供保障。

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