功率場效應晶體管的低頻噪聲檢測方法

陳曉娟，杜 娜

（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林 132012）

功率場效應晶體管的低頻噪聲檢測方法

陳曉娟，杜 娜

（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林 132012）

針對目前國內功率VDMOS器件成品率低、可靠性差等問題，采用低頻噪聲無損檢測方法，通過分析功率VDMOS器件低頻噪聲的產生機理及特性，設計了低頻噪聲測試的偏置電路并建立了一套低頻噪聲測試系統。提出了一種基于小波熵的低頻噪聲檢測方法，解決了所測低頻噪聲容易被測試系統白噪聲淹沒而造成低頻噪聲檢測準確性低的弊端。通過仿真，驗證了小波熵檢測方法可以有效檢測低頻噪聲。

VDMOS器件；1／f噪聲；低頻噪聲；LabView；小波熵

0 引言

功率VDMOS（垂直雙擴散場效應晶體管）器件是功率電子的重要基礎，作為功率開關，VDMOS以其耐高壓、低導通電阻等特性常用于功率集成電路和功率集成系統中。功率VDMOS器件存在于所有電子設備和電機設備中，主要為電子設備提供電源、為電機設備提供驅動，所以對器件可靠性的研究有著至關重要的意義。

近年來，國內外相關文獻對VDMOS器件可靠性做了一些研究。文獻［1］提出一種高溫循環實驗，對其進行可靠性分析，但由于測試溫度高，易導致器件的電性能退化。文獻［2］采用高低溫循環方法，此方法在實驗過程中會對器件本身造成嚴重的損害。文獻［3］提出基于恒定電應力溫度斜坡法，對VDMOS器件進行可靠性研究，然而器件外加的電應力和熱應力由于測試時間長導致器件受損。隨著功率VDMOS器件在高精度應用領域的廣泛應用，對其可靠性進行無損的測試引起了研究學者的廣泛關注［4］。近年來研究發現低頻噪聲（主要是1／f噪聲）是表征VDMOS質量和可靠性的一個重要敏感參數，且噪聲測試作為一種快速、無損、準確的測試方法，已被用于VDMOS器件的抗輻射性能的研究［5］。

本文設計了VDMOS器件低頻噪聲測試的偏置電路并建立了一套低頻噪聲測試系統，采用LabView對噪聲進行數據采集，通過小波熵方法準確檢測淹沒在白噪聲的1／f噪聲。

1 VDMOS器件的低頻噪聲

功率VDMOS器件是一種表面效應器件，表面載流子漲落是其1／f噪聲的主導機構［6］。在大多數情況下，1／f噪聲是由于氧化層陷阱電荷漲落引起的溝道載流子數漲落和溝道遷移率漲落所引起的。氧化層陷阱電荷漲落通過調制表面勢，引起溝道載流子數漲落，并通過調制庫侖散射引起溝道遷移率的漲落，從而導致溝道電流的漲落［7］。廣義上講，1／f噪聲特性表現為其功率譜密度隨頻率的增大而減?。?］。

2 VDMOS器件低頻噪聲測試偏置電路

為了準確測試VDMOS器件的低頻噪聲，本文采用應用領域非常廣的IRF840LC功率型VDMOS器件，在輸入電壓確定的條件下進行測試。測試電路如圖1所示。

圖1 功率VDMOS器件低頻噪聲測試偏置電路

圖1是產生VDMOS低頻噪聲信號的電路，電阻R1和R2的分壓提供功率VDMOS器件M1的柵極電壓，同理，電阻R3和R4的分壓提供M1的漏極電壓（R1＝R2＝R3＝R4＝1 kΩ，R5＝10Ω，C1＝C3＝1 MF，C2＝C4＝3.3μF，U1＝5 V，U2＝12 V），C1～C4主要的作用是濾除蓄電池中的干擾波。噪聲信號從漏源端（OUT）引出傳送到低噪聲放大器輸入端。為了最大程度地減少外界噪聲干擾（如電磁輻射等），將偏置電路放置在一個密閉屏蔽箱內。

3 VDMOS器件低頻噪聲測試系統設計

為了檢測到噪聲信號，需要在寬頻率范圍內進行噪聲功率譜密度測試，因此，測試系統建立如圖2所示。

圖2 功率VDMOS器件低頻噪聲測試系統框圖

低噪聲電壓源須采用電池獨立供電，以減小背景噪聲影響。由于偏置電路輸出的噪聲信號為微弱電壓信號，本文通過雙通道低噪聲前置放大器將噪聲信號放大，如圖2硬件部分所示，其基本原理是利用兩個隨機信號的非相關性，通過相關性計算消除這兩個隨機信號對測量結果的影響，若兩個隨機過程互不相關，則一定有互相關函數為零。根據維納辛欽定理可以知道：功率譜密度是其相關函數的傅里葉變換，這也就可以證明其互功率譜也為零。利用該特點當測量系統自身噪聲之間不存在相關性時，可采用互相關方法抑制系統噪聲，經實驗驗證該方法測量系統背景噪聲降低了50%。信號放大后由數據采集系統軟件LabView進行噪聲信號采集，該軟件有可視化的面板，其設計完全可以由用戶自定義［9］。本系統中偏置電路、低噪聲電壓源、前置放大器分別放入密閉屏蔽箱內。

4 1／f噪聲檢測

由于所測得的VDMOS器的1／f噪聲信號可能完全淹沒在來自測試系統的白噪聲中，如圖3所示，所以，本文提出基于小波熵檢測方法檢測出VDMOS器件淹沒在白噪聲背景下的1／f噪聲信號，實現1／f噪聲信號與白噪聲的有效分離。

4.1 小波變換

小波變換是在傳統的傅里葉變換基礎上發展起來的，在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力［10－11］。

4.2 小波分解與重構

將連續性信號f（t）在小波基下展開，產生函數f（t）的連續小波變換（CWT），其表達式為：

4.3 小波熵檢測方法

圖3 小波熵檢測算法流程圖

如果把小波變換的系數矩陣處理成一個概率分布序列，則由它計算得到的熵值就反映了這個系數矩陣的稀疏程度，也就是信號概率分布的有序程度，這種熵就稱作小波熵。利用1／f噪聲及白噪聲在不同分解層次上小波系數熵的變化特點，根據信號子帶高頻小波系數的最大小波熵是由白噪聲引起的，對不同分解尺度上的高頻系數進行小波熵閾值量化處理，最后對信號進行重構。小波熵檢測算法流程圖如圖3所示。

5 實驗結果與分析

實驗基于Matlab軟件與LabView平臺進行噪聲信號的時頻域分析。實際觀測1／f噪聲信號和背景噪聲信號分別如圖4和圖5所示。從圖5中明顯可以看出：1／f噪聲淹沒在白噪聲背景下。經多次實驗，所采用的小波為Haar小波，尺度j＝5，采樣數為N＝211，由上述小波熵算法檢測出的1／f噪聲如圖6所示，與實際1／f噪聲基本保持一致，而由傳統小波軟閾值檢測的1／f噪聲信號部分被平滑掉，如圖7所示，明顯減小了檢測的準確度。

圖4 實際測量1／f噪聲信號

圖5 實際測量背景噪聲信號

圖6 基于小波熵檢測1／f噪聲信號

圖7 基于小波軟閾值檢測1／f噪聲信號

為了進一步驗證檢測信號的準確性，基于同等條件下，分別求出圖6和圖7兩種方法檢測1／f噪聲信號的功率譜密度，如圖8和圖9所示?；谛〔胤椒z測1／f噪聲信號功率譜密度的振幅隨頻率的增大而減小，其明顯表現了1／f噪聲的頻譜特性，而小波軟閾值檢測方法對時域信號在不同分解層次上均采用相同閾值并將部分信號平滑掉，因此該方法檢測的1／f噪聲信號的功率譜密度沒有表現出1／f噪聲頻譜特性，說明本文提出的基于小波熵檢測1／f噪聲的方法是有效的。

圖8 小波熵檢測1／f噪聲的功率譜密度

圖9 基于軟閾值檢測1／f噪聲的功率譜密度

6 結論

本文在分析功率VDMOS器件低頻噪聲產生機理的基礎上，建立了VDMOS器件低頻噪聲測試系統，明確了測試原理。詳細地介紹小波熵檢測方法，并對實際測量噪聲信號進行了驗證，實驗結果表明：該方法能有效地檢測出淹沒在測試系統背景白噪聲的1／f噪聲，且表現出明顯的1／f噪聲頻譜特性，說明從白噪聲背景下檢測的1／f噪聲信號是準確的。本文提出的低頻噪聲檢測方法為功率VDMOS器件的質量缺陷及可靠性研究奠定了基礎。

［1］ 何延強.功率VDMOS器件失效分析與可靠性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

［2］ 王欣.VDMOS器件可靠性的研究［D］.成都：電子科技大學，2009.

［3］ 單尼娜，呂長志，馬衛東，等.直流和脈沖工作的VDMOS可靠性試驗［J］.半導體技術，2010，35（2）：172－175.

［4］ Haartman M V，Ostling M.Low-Frequency Noise in Advanced MOSDevices［M］.Hoboken，NJ：Springer-Verlag，2007.

［5］ 王黨會，許天旱，謝端，等.用1／f噪聲表征VDMOS器件的抗輻照性能［J］.半導體技術，2008，33（7）：571－574.

［6］ Vandamme L K J，Hooge F N.What Do We Certainly Know About1／f Noise in MOSTs［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2008，55（11）：3070－3085.

［7］ Vandamme L K J，Hooge FN.On the Additivity of Generation-recombination Spectra Part 3：The McWhorter Model for 1／f Noise in MOSFETs［J］.Phys B，2005，357（3）：507－524.

［8］ 陳曉娟，唐龍泳，隋吉生，等.分形分析1／f噪聲性能［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2012，3（1）：28－31.

［9］ 周求湛，楊熙春，王墨林，等.基于LabVIEW的光耦低頻噪聲成分估計研究［J］.測試技術學報，2005，9（2）：234－236.

［10］ 包軍林，莊奕琪，杜磊，等.基于小波分析和虛擬儀器技術的1／f噪聲研究［J］.電子器件，2006，29（2）：369－372.

［11］ 張榮標，胡海燕，馮友樂.基于小波熵的微弱信號檢測方法研究［J］.儀器儀表學報，2007，28（11）：2078－2083.

TN306

A

1672－6871（2014）01－0041－04

國家自然科學基金項目（61271115）

陳曉娟（1970－），女，吉林九臺人，教授，博士，主要研究方向為模擬電路故障診斷、電力線通信、生物信號處理、低頻噪聲檢測等.

2013－07－18