第三章高阻器件噪聲測(cè)試技術(shù)

3.1高阻樣品噪聲測(cè)試問(wèn)題分析

研究者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲的研究擴(kuò)大至諸如電容器，MOS器件柵氧化層，高阻值電阻器之類的高阻器件或高阻材料范圍時(shí)，傳統(tǒng)的噪聲測(cè)試技術(shù)不再行之有效，出現(xiàn)了諸多新的技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

（1）高源阻抗使電壓噪聲信號(hào)衰減

傳統(tǒng)測(cè)試電壓噪聲的測(cè)試方法無(wú)法使信號(hào)充分放大。在放大器輸入阻抗固定的情況下，過(guò)大的測(cè)試樣品阻值會(huì)導(dǎo)致微弱的噪聲信號(hào)不能充分放大，影響信號(hào)提取。具體說(shuō)明見下圖；

r為信號(hào)源阻抗，R為放大器輸入阻抗，通常這個(gè)數(shù)值在數(shù)十MΩ到數(shù)百M(fèi)Ω甚至上GΩ，E為噪聲信號(hào)。根據(jù)歐姆定律可知，當(dāng)r值不大，即所測(cè)樣品為中阻樣品時(shí)，噪聲信號(hào)電壓幾乎全部落在放大器輸入阻抗上，信號(hào)無(wú)衰減的被放大器捕獲。但當(dāng)r的大小達(dá)到和R可比擬的范圍或甚至比R大的范圍時(shí)，落在R上的信號(hào)電壓就會(huì)變?yōu)镋的幾分之一甚至是百分之一。由于噪聲信號(hào)電壓本來(lái)就是微弱信號(hào)，其值的幾分之一甚至是百分之一就會(huì)變得更加微弱，甚至達(dá)到與背景噪聲可比擬的量級(jí)，再加上數(shù)據(jù)采集卡的精度有限，這就會(huì)影響到后期信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的信號(hào)提取精度。

（2）高偏置電壓條件會(huì)降低耦合電容壽命甚至使耦合電容擊穿

當(dāng)器件阻值過(guò)高時(shí)，若采用傳統(tǒng)測(cè)電壓噪聲的方法，可能需要在器件兩端加較大的直流偏置電壓，以激發(fā)出明顯而可測(cè)的低頻噪聲。這樣就會(huì)在測(cè)試條件上產(chǎn)生如下兩個(gè)限制：首先，放大器采集信號(hào)時(shí)無(wú)法使用直流耦合，這樣就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法測(cè)到非常低頻的信號(hào)；其次，即便采用交流耦合方式，耦合電容上承受的壓降過(guò)高，有可能會(huì)超過(guò)電容的額定電壓，擊穿電容；承受過(guò)高的電壓也會(huì)影響耦合電容的壽命。

（3）電流噪聲信號(hào)帶寬過(guò)窄國(guó)外針對(duì)MOS柵氧化層漏電流噪聲的測(cè)試電路如圖3.2所示。該方法通過(guò)在柵氧化層上施加一定偏置電壓測(cè)電流噪聲。

圖3.2中下部的bias stage是一個(gè)典型的有源濾波器，用來(lái)濾除來(lái)自直流源的交流干擾，保證測(cè)試結(jié)果中只包含測(cè)試樣品的噪聲信號(hào)。圖3.2上部的DUT是待測(cè)樣品。基于TLC070的放大電路被搭建成跨阻放大器的模式，將柵漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤碾妷盒盘?hào)。

圖3.2中的測(cè)試方法存在信號(hào)通頻帶過(guò)窄的問(wèn)題。由于同樣偏壓下高阻器件的電流噪聲會(huì)非常微弱，因而放大倍數(shù)通常設(shè)置的很大，在放大器帶寬增益積一定的情況下就導(dǎo)致了帶寬較低，從圖3.3中的SR570的帶寬和增益的關(guān)系圖中就可以看出這一點(diǎn)。

（4）電容漏電流噪聲高頻被衰減

已有針對(duì)電容的測(cè)試技術(shù)的原理圖如圖3.4所示：

流過(guò)待測(cè)電容C 1的噪聲漏電流會(huì)在R1上產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓壓降，放大器測(cè)試的是R1上的噪聲電壓信號(hào)。R1選用大阻值繞線電阻，但相對(duì)于放大器，R1相當(dāng)于低源阻抗，這樣信號(hào)就不會(huì)被衰減，而且由于R1被認(rèn)為是無(wú)噪聲的，這樣來(lái)自R 1的噪聲信號(hào)就是C 1的噪聲信號(hào)。