專利名稱：晶體管噪聲成份分析與測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對晶體管低頻噪聲成份的分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，特別是代有微機(jī)處理的自動測試系統(tǒng)。
對晶體管的低頻噪聲成份(包括白噪聲、1/f噪聲、及g-r噪聲)的大小及轉(zhuǎn)折頻率分析，是了解器件表面與體內(nèi)缺陷，研究器件的噪聲機(jī)理及對不可靠半導(dǎo)體器件的無損、快速篩選的一種重要方法。該發(fā)明對世界專利索引檢索，沒有見到有對低頻噪聲各成份的定量分析的切題文獻(xiàn)。檢索工程索引，其中只有一篇比較相近，其題目“借助子低頻噪聲測量對(AlGa)AS-GaAS2-D空氣管進(jìn)行深能級分析。”(原文“Deep-levelanalgsisin(AlGa)AS-GaAS2-delectrongasdevi-cesbymeansoflawfreguoueymisemeasuremonfs”)。
該文對(AlGa)AS-GaAs元件低頻噪聲中的g-r噪聲成份分析采用的方法，是從噪聲譜曲線中觀察，由g-r噪聲引起的凸起來識別，不僅觀察不明顯，而且所確定的轉(zhuǎn)折頻率fo也很困難，因此，無法求出g-r噪聲、1/f噪聲、及白噪聲的幅度。關(guān)于相應(yīng)的測試系統(tǒng)，經(jīng)檢索，在現(xiàn)有技術(shù)中如美國的HP4470晶體管、場效應(yīng)管噪聲分析儀，它不能完成半導(dǎo)體低頻噪聲成份的分析、它對噪聲譜的測試，只能是用人工來改變頻率，逐點(diǎn)來完成的，不僅測試時(shí)間長，而且非常不方便。其測試最低頻率是10HZ，對噪聲測量儀的放大器增益K(f)校正均采用AGC方法，精度差。該發(fā)明可自動的完成低頻噪聲成份的定量分析，頻率范圍在0.25HZ～100KHZ，每頻段設(shè)分辨點(diǎn)400點(diǎn)，平均次數(shù)N最小選為512次、及1024次，而對放大器的幅頻特性K(f)自動測量后采用微機(jī)處理，自動顯示和打印結(jié)果。然而精度高、使用方便。因此，從噪聲的分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)均為國內(nèi)外首創(chuàng)。
本發(fā)明的主要任務(wù)是要提供一種晶體管低頻噪聲成份的定量分析方法，并建立相應(yīng)的定量的代有微機(jī)處理的測試系統(tǒng)。即用低頻噪聲來予測半導(dǎo)體器件長期使用的可靠性，從而為半導(dǎo)體器件的可靠性篩選，提供準(zhǔn)確、快速、可靠的新手段。
本發(fā)明的任務(wù)是以如下方法實(shí)現(xiàn)的<ⅰ>建立半導(dǎo)體器件低頻噪聲成份分析方法根據(jù)器件等效輸入電流噪聲中求幾個(gè)噪聲分量Si(f)＝A+ (B)/(f) + (C/fo)/(1+(f/fo)2)(1)1/f噪聲的幅度B，即表達(dá)形式B/f;
(2)g-r噪聲的幅度C，轉(zhuǎn)折頻率fo，即表達(dá)式 (C/fo)/(1+(f/fo)2)(3)白噪聲的幅度為A。
<ⅱ>噪聲功率譜測試系統(tǒng)為了分析半導(dǎo)體器件的低頻噪聲成份，必須對等效輸入噪聲電流功率譜Si(f)進(jìn)行測量。如附圖26所示由輸入電路(包括被測的晶體管)、測量放大器，CF-920分析儀、IEEE-488接口電路、SUPer微型機(jī)、打印顯示及正9伏電源組成。
被測晶體管噪聲經(jīng)測量放大器放大后，送入CE-920分析儀，做噪聲功率譜Si(f)測量，為了保證足夠小的頻率間隔，在0.25HZ-100KHZ范圍內(nèi)分三段頻率區(qū)間測量(a)0.25HZ-95HZ;(b)100HZ-4950HZ;(c)5000HZ-100KHZＫ脅饈允莨 15點(diǎn)，經(jīng)過IEEE-488接口電路，送入計(jì)算機(jī)(SUPer)做相應(yīng)的計(jì)算，求出fsi(f)，然后再通過噪聲成份分析軟件，求出噪聲各種成份。如附

圖13為整個(gè)測試軟件流程框圖及其子程序如附圖14-25。
(1)完成Si(f)的測量的技術(shù)指標(biāo)a)頻率范圍0.25HZ-100KHZb)測量頻率點(diǎn)數(shù)315點(diǎn)。
c)測量精度＜4%。
d)測量時(shí)間1小時(shí)。
e)可測量最小電流噪聲譜密度2.95×10-13A/√HZ(Ib＝20μA;β＝62;f＝1HZ)。
(2)完成由Si(f)中分離三種噪聲成份的計(jì)算，打印工作，為此必須由計(jì)算機(jī)完成下述工作a)對Si(f)進(jìn)行變換fSi(f)后，打印曲線，由此找出峰點(diǎn)對應(yīng)的頻率fo如附圖10(a、b)。
b)根據(jù)Si(f)公式已知fo后，即可選白噪聲占主要成份以及1/f噪聲占主要成份的兩個(gè)頻率點(diǎn)的Si(f)值，求解聯(lián)立方程，求出A、B、C。
c)打印顯示附圖1及附圖2-9給出了整個(gè)分析方法的軟件流程框圖。
源電阻Rs選100KΩ，所以I2nR2n＞＞4KTRs，所測得的E2n為電流噪聲。當(dāng)對測不同管子的時(shí)候，均用調(diào)節(jié)Ib為20μA(或其它規(guī)定的值)。從而可以比較各器件的缺陷大小。用CF-920分析儀完成放大器頻率響應(yīng)的測量，由CF-920分析儀送出的掃描正弦波經(jīng)放大器放大后又送回CF-920分析儀的輸入端。自動求出K(f)的幅值。
本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了對低頻噪聲成份的定量分析，對建立半導(dǎo)體器件噪聲理論、器件內(nèi)在缺陷分析、可靠性篩選都具有重要意義。該發(fā)明的特點(diǎn)<1>可以分析半導(dǎo)體低頻噪聲中的三種成份白噪聲、1/f噪聲、及g-r噪聲。
<2>可以完成0.25HZ-100KHZ范圍內(nèi)低頻噪聲成份的自動測試、分析，具有測量時(shí)間短、準(zhǔn)確度高(系統(tǒng)誤差小及隨機(jī)誤差小)，測量過程全自動化。
<3>測量及分析結(jié)果，可通過顯示、打印方式給出。
<4>本發(fā)明測量頻率低頻可在0.25HZ，每頻假分辨點(diǎn)最多400點(diǎn)。
<5>本發(fā)明采用對放大器的幅頻特性K(f)自動測量，然后用計(jì)算方法，即Si(f)＝So(f)/K2R2s求出，故準(zhǔn)確度高。
<6>本發(fā)明采用512、1024次噪聲譜統(tǒng)計(jì)平均，所以隨機(jī)誤差小。
然而本發(fā)明為國內(nèi)外對非線性半導(dǎo)體器件的定量分析、研究，為建立半導(dǎo)體器件低頻噪聲理論作出了開鑿性的貢獻(xiàn)。
本發(fā)明的具體方法和結(jié)構(gòu)由以下實(shí)施例及附圖給出圖1數(shù)據(jù)處理軟件框圖;
圖2為圖1的子程序1;
圖3為圖1的子程序2、3、4、5、6;
圖4為圖1的子程序11;
圖5為圖1的子程序12;
圖6為圖1的子程序21;
圖7為圖1的子程序22;
圖8為圖1的子程序221;
圖9為圖1的子程序222;
圖10為噪聲譜的頻率特性圖;
圖11為晶體管噪聲En-In等效電路圖;
圖12(a、b)為CF-920分析儀測試噪聲隨機(jī)特性圖;
圖13為整個(gè)測試軟件流程圖;
圖14為圖13的子程序1、2;
圖15為圖13的子程序3;
圖16為圖13的子程序4、5、……9;
圖17為圖13的子程序11、12、……16;21、22、……27;
圖18為圖13的子程序111;
圖19為圖13的子程序113;
圖20為圖13的子程序115;
圖21為圖13的子程序112;
圖22為圖13的子程序114;
圖23為圖13的子程序116;
圖24為圖13的子程序1111;
圖25為圖13的子程序1112;
圖26為噪聲功率譜測試系統(tǒng)框圖。
下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明所提出的具體方法及測試系統(tǒng)附圖11為晶體管噪聲等效電路，En-In噪聲模型，Rs為電阻，En為等效輸入電壓噪聲的有效值，In為等效輸入電流噪聲有效值。相應(yīng)的功率譜密度(即單位帶寬的E2n與I2n)分別為
Si(f)＝2qIb+ (2qfLIrb)/(f) + (KI2b/fo)/(1+(f/fo))上式中前項(xiàng)為白噪聲(包括熱噪聲、及散彈噪聲)、最后兩項(xiàng)即為相應(yīng)的1/f噪聲、與g-r噪聲，若器件有幾個(gè)g-r噪聲，則就分別有幾個(gè)fo，目的就要求出器件的1/f與g-r噪聲的大小，從而求出反映缺陷程度的量，即fL及K值，為此，對半導(dǎo)體器件的噪聲成份的分析方法(1)半導(dǎo)體器件低頻噪聲成份分析方法從已經(jīng)測得的噪聲功率譜Si(f)即可以決定相應(yīng)的白噪聲、1/f噪聲、及g-r噪聲強(qiáng)度及缺限的大小。在現(xiàn)有技術(shù)中，是采用觀察噪聲譜在某一頻率點(diǎn)的凸起來識別的，如附圖10中(a)，對于較小的凸起，甚至沒有凸起，而同樣有g(shù)-r噪聲，因此在本發(fā)明的方法采用對Si(f)作變換fSi(f)＝Af+B+ (Cf/fo)/(1+(f/fo)2)可見g-r噪聲明顯反映在曲線的凸起。當(dāng)無g-r噪聲時(shí)，fSi(f)＝Af+B為一條直線Ⅰ。當(dāng)有g(shù)-r噪聲時(shí)fSi(f)曲線有峰起，對此求導(dǎo)(d)/(df) (C/fo)/(1+(f/fo)2) ＝0得峰點(diǎn)頻率為fo，大、小為C/2，故本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)處理，首先找出fSi(f)曲線的峰點(diǎn)(如附圖10中(b)，可見g-r噪聲明顯反映在曲線凸起)。如有幾個(gè)fo，即有幾個(gè)g-r噪聲。然后再根據(jù)被測數(shù)據(jù)求出A、B、C值。從而完成了低頻噪聲成份分析。為私徊降奶岣咦既范鵲姆治黿峁?，关键灾冊溤噪声谱诧喛的精洱x靜饈韻低巢捎肅F-920測得的噪聲譜，采用512次、1024次平均值，采用微機(jī)自動測試系統(tǒng)，如附圖1為數(shù)據(jù)處理軟件框圖，及其子程序，如附圖2-9。完成的結(jié)果使相對誤差小于4%，盡管看來，時(shí)間較長一些，但在微弱信號系統(tǒng)中，與現(xiàn)有技術(shù)中相對比，測試時(shí)間是很短的，特別是換取來準(zhǔn)確度的提高。
(2)半導(dǎo)體器件低頻噪聲功率譜的測試系統(tǒng)。
如附圖26所示，由輸入電路(1)，其接于測量放大器(2)、CF-920分析儀(3)、TEEE-488接口電路(4)、及微型機(jī)SUPer(5)和輸出端打印機(jī)(6)及正9伏電源組成半導(dǎo)體噪聲功率譜測試系統(tǒng)。
附圖26為等效輸入噪聲電流功率譜Si(f)測試系統(tǒng)的框圖，本測試系統(tǒng)不僅保證了硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而且要編制相應(yīng)的測試軟件，保證測試系統(tǒng)有盡量高的測量精度及較短的測試時(shí)間，為此其測試的技術(shù)指標(biāo)(1)頻率范圍0.25HZ～100KHZ(2)測量點(diǎn)數(shù)315點(diǎn)(3)測量精度＜4%(4)測量時(shí)間1小時(shí)(5)可測量最小電流噪聲密度2.95×10-13A/√HZ測試條件Ib＝20μAβ＝62f＝1KHZ經(jīng)過CF-920分析儀、噪聲功率譜So(f)測量，將頻率分為三個(gè)頻段區(qū)間(1)0.25Hz～95Hz(2)100Hz～4950Hz(3)5000Hz～100KHz所有測試數(shù)據(jù)共315點(diǎn)，經(jīng)IEEE-488接口電路，送到計(jì)算機(jī)(Super)做相應(yīng)的計(jì)算求出fSi(f)，然后通過噪聲成份分析元件，求出噪聲的各種成份，如附圖13為整個(gè)測試軟件流程框圖，其附圖14-25為測試軟件流程框圖的子程序。本系統(tǒng)是為了研究器件可靠性與低頻噪聲關(guān)系而研制的，如果本系統(tǒng)用于工廠現(xiàn)場，并不需要測量整個(gè)噪聲譜，而僅需測幾個(gè)g-r噪聲的特征點(diǎn)(如1HZ、20HZ、500HZ……)則測量儀器及測量時(shí)間均可大大縮短及簡化。
然而本發(fā)明是首次實(shí)現(xiàn)低頻噪聲成份的定量分析，對建立半導(dǎo)體器件噪聲理論、半導(dǎo)體器件表面及內(nèi)部缺陷研究，可靠性篩選，等均具有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件噪聲分析方法及測試系統(tǒng)，其特征在于(a)根據(jù)測得的半導(dǎo)體噪聲功率譜S1(f)，決定相應(yīng)的白噪聲、1/f噪聲、g-r噪聲，為此根據(jù)S1(f )=A +Bf+C/fo1+(f /fo)2]]>當(dāng)Ib為一固定值時(shí)則B、C分別反映了1/f噪聲、g-r噪聲強(qiáng)度和缺陷的量級。(b)對Si(f)作變換，即fSi(f)=Af+B+ (Cf/CO)/(1+(f/fO)2)當(dāng)無g-r噪聲時(shí)fSi(f)=Af+B，為一條直線。當(dāng)有g(shù)-r噪聲時(shí)fSi(f)曲線有峰起，對此求導(dǎo)ddf(Cf /fo1+(f/fo)2) =0]]>得峰點(diǎn)頻率為f0，大、小為C/2。(c)采用代有微型機(jī)的處理系統(tǒng)[5]。(d)由輸入電路[1]、測量放大器[2]、CF-920分析儀[3]、IEEE-488接口電路[4]、微型機(jī)[5]、打印顯示[6]組成半導(dǎo)體低頻噪聲成份分析及自動測試系統(tǒng)。
2.按權(quán)利要求1所述的噪聲分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其特征在于可自動打印0.25Hz-100KHz范圍內(nèi)1/f、g～r噪聲及白噪聲成份(幅度及轉(zhuǎn)折頻率)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的噪聲分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其特征在于測量精度＜4%。
4.按權(quán)利要求1或3所述的噪聲分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其特征在于可測最小電流噪聲譜密度2.95×10-13A/√HZ。
5.按權(quán)利要求1或3、或5所述的晶體管噪聲成份分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其特征在于代有自動顯示和打印裝置的微機(jī)系統(tǒng)。
6.按權(quán)利要求1或6、所述的晶體管噪聲成份分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其特征在于對功率譜Si(f)中，平均次數(shù)N選為512、1024次。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件低頻噪聲成份分析方法及相應(yīng)的測試系統(tǒng)。特別是代有微型機(jī)處理的自動測試系統(tǒng)。該發(fā)明對用低頻噪聲來預(yù)測器件長期使用的可靠性，從而為半導(dǎo)體器件的可靠性篩選，提供一種快速、無損、可靠的新方法。為此，該發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了低頻噪聲成份的準(zhǔn)確，而又定量的分析，為建立半導(dǎo)體器件噪聲理論、器件內(nèi)在缺陷分析、可靠性篩選均都具有開鑿性的貢獻(xiàn)。
文檔編號G01R31/26GK1034275SQ8810004
公開日1989年7月26日 申請日期1988年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月11日
發(fā)明者戴逸松, 張慶敏, 張新發(fā), 張曉冬, 王樹勛 申請人:吉林工業(yè)大學(xué)