GaAlAs紅外發光二極管低頻噪聲檢測方法*

熊建國，趙 華，黃貽培，楊代強，陳志高

（1.重慶科創職業學院機電學院，重慶402160；2.河北師范大學電子工程系，石家莊050024；3.中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢430071；4.重慶科技學院電氣與信息工程學院，重慶402160）

GaAlAs紅外發光二極管低頻噪聲檢測方法*

熊建國1，趙 華2，黃貽培1，楊代強1，陳志高3，4*

（1.重慶科創職業學院機電學院，重慶402160；2.河北師范大學電子工程系，石家莊050024；3.中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢430071；4.重慶科技學院電氣與信息工程學院，重慶402160）

通過分析GaAlAs紅外發光二極管（IRED）的低頻噪聲產生機理及特性，建立了GaAlAs IRED的噪聲模型，設計了一套低頻噪聲測試系統，通過該系統測量得到了GaAlAs IRED的低頻噪聲。實驗表明，該方法能準確的測量GaAlAs IRED的低頻噪聲，發現其低頻噪聲主要表現為1/f噪聲，得到與噪聲模型一致的結果。該研究為GaAlAs IRLED可靠性的噪聲表征提供了實驗基礎與理論依據。

低頻噪聲；紅外發光二極管；噪聲模型；氧化層陷阱

以GaAlAs雙異質結紅外二極管（IRED）是一種電光轉換器件，在一定的正向電流驅動下，發射出峰值波長850nm～880nm埃的近紅外光。該波長適合于光導纖維在這一頻段（λ=0.8 μm～0.9 μm）中損耗低的要求，有利于短波長的光纖通信，其可靠性問題也越來越受到關注。近來的實驗結果表明，LED的低頻噪聲隨著輸入電流的增加而以不同的規律增大［］。此外，大量研究結果也顯示，LED的低頻噪聲與其可靠性有直接的關系，相比傳統的電參數而言，低頻噪聲能更加敏感地表征出其可靠性。

提出了一種低頻噪聲測量LFNM（Low Frequency Noise Measurement）無損檢測的方法，該方法基于載流子數漲落和遷移率漲落機制，深入分析了GaAlAs雙異質結紅外二極管低頻噪聲的產生機理，建立了GaAlAs IRED的噪聲模型，設計了一套低頻噪聲測試系統。在輸入電流寬范圍變化的條件下，測試了GaAlAs雙異質結紅外二極管的低頻噪聲，該方法能準確地獲取GaAlAs IRED的低頻噪聲，且研究結果為低頻噪聲表征該類器件的可靠性提供實驗和理論依據。

1 GaAlAs IRED的低頻噪聲特性與模型

GaAlAs IRED的低頻噪聲通常表現為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲等的疊加，一般認為1/f噪聲主要是由表面載流子數漲落引起的。大量研究表明，1/f噪聲在一個相當寬的頻率范圍內，其功率譜密度與頻率成反比，且噪聲電壓或電流的功率譜密度近似與通過器件的電流的平方成正比。

建立GaAlAs IRED的噪聲模型，即把可以影響GaAlAs IRED低頻噪聲的參數疊加取平均，用以來表示其噪聲參數模型。其低頻噪聲通常表現為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲等的疊加，式（1）為它的功率譜密度［4］。

式中：A是白噪聲值；B是1/f噪聲幅值；α為1的常數；Ci表示g-r噪聲的幅度；foi為第i個g-r噪聲的轉折頻率；N為g-r噪聲的量度。因而，功率GaAlAs IRED能否正常工作，可通過其噪聲表現來判斷，GaAlAs IRED的低頻噪聲頻譜及其擬合曲線如圖1所示。

圖1 低頻噪聲頻譜及其擬和曲線

2 互譜測量法與測量系統

2.1 低頻噪聲測量方法

雙通道互譜噪聲測量技術的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。根據相關性的理論，假設有兩組隨機過程函數Rx及Ry，它們之間的相關性可以表示為：

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?；谝陨侠碚撛O計了雙通道噪聲測量方案，相對于單通道測量方法降低了系統的背景噪聲，提高了低頻噪聲測量的精度。

圖2中放大器1、2輸出的放大信號為：

其中c(t)表示待測器件產生的噪聲和兩個放大器的等效輸入電流噪聲放大后的信號，ui(t)表示第i個測量放大器的等效輸入電壓噪聲。對輸出的值在時域上進行加減運算可以得到：

兩個測量放大器采用的是單獨供電電源，可以認為c(t)，u1(t)，u2(t)互不相關。然后對a(t)和b(t)求功率譜密度可以得到：

Si(f)表示i(t)的功率譜密度函數。

通過測量兩路輸出信號的功率譜，然后相減再除以4即可求出待測器件的噪聲功率譜密度函數。這個方法可以在不改善放大器自身噪聲的基礎上，利用噪聲的非相關性原理在一定程度上減低放大器噪聲對測量結果的影響，提高測試精度。

圖2 雙通道互譜噪聲測量系統

2.2 低頻噪聲測量系統

針對GaAlAs雙異質結紅外二極管（IRED）的低頻噪聲測量系統如圖3所示，系統采用精密電子器件參數測試儀Agilent 4156C作為直流電壓源通過低通濾波器給被測GaAlAs IRED提供偏壓，采用SR570低噪聲前置放大器對噪聲信號放大，最后采用Agi?lent 35670A動態信號分析儀對放大后的噪聲信號進行快速傅里葉變換FFT，得到噪聲功率譜密度。

圖3 GaAlAs IRED低頻噪聲測量系統

3 實驗結果

基于上述方法，對GaAlAs雙異質結紅外二極管（IRED）進行多批次低頻噪聲測試。其低頻噪聲測試結果如表1所示。由測試結果可知，GaAlAs IRED低頻噪聲主要是1/f噪聲，而且表現出隨著頻率的增加幅值減小的特性，但也有部分表現出具有額外的g-r噪聲，這表明器件內部存在氧化層陷阱缺陷［11］。

表1 低頻噪聲功率譜測試結果

圖4給出了被測器件在不同偏置電流時的電壓噪聲功率譜密度與頻率的關系，從圖4可知，其呈現明顯的1/f噪聲特性，且隨著輸入電流的增加，其功率譜密度也呈現不同的增加趨勢。

圖4 不同偏置電流下的低頻噪聲頻譜圖

實驗發現，當輸入電流小于3 mA時，該類器件的1/f噪聲幅值與輸入電流成正比；在3 mA～5 mA的范圍內，1/f噪聲幅值出現飽和；隨著輸入電流的持續增大，1/f噪聲幅值急劇增加，呈現與輸入電流平方成正比的規律。基于載流子數漲落和遷移率漲落機構，深入分析了GaAlAs雙異質結紅外二極管1/f噪聲的產生機理，對該實驗結果給予了合理的解釋。并可知，在低電流區，該類器件1/f噪聲源為體陷阱對非平衡載流子俘獲和發射導致的擴散電流漲落，主要為擴散1/f噪聲；在高電流區，其1/f噪聲源為結空間電荷區附近氧化層陷阱對該處表面勢的調制而引起載流子表面復合速率的漲落，主要為表面1/f噪聲。因而，高偏置電流下的1/f噪聲反映了GaAlAs IRLED激活區的陷阱特征，低偏置電流時則反映了體區的陷阱信息，該研究結果為低頻噪聲表征該類器件的可靠性提供實驗和理論依據。

4 結論

本文提出了一種針對GaAlAs雙異質結紅外二極管（IRED）低頻噪聲測量方法，明確了對應的測試系統的構建原理及性能要求，建立了功率GaAlAs IRED器件的噪聲模型，基于該模型的分析表明，低電流區GaAlAs IRLED的1/f噪聲源于體陷阱對非平衡載流子俘獲和發射導致的擴散電流漲落，高電流區的1/f噪聲源于結空間電荷區附近氧化層陷阱對該處表面勢的調制而引起載流子表面復合速率的漲落。測試了GaAlAs雙異質結紅外二極管的低頻噪聲，其研究結果為低頻噪聲表征該類器件的可靠性提供實驗和理論依據。

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熊建國（1980-），男，漢，重慶人，碩士，講師，主要研究領域為低頻噪聲測量與與通信信號處理，xjg1980022@163.com。

Method of Lowfrequency Noise Measurement for GaAlAs IREDs*

XIONG Jianguo1，ZHAO Hua2，HUANG Yipei1，YANG Daiqiang1，CHEN Zhigao2，3*
（1.Chongqing Creation Vocational College，Chongqing，China；2.Department of Electronic Engineering Hebei Normal University，Hebei 050024，China；3.Key laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071；4.School of Electrical and Information Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 402160，China）

By analyzing the low frequency noise mechanism and characteristics of the GaAlAs infrared light-emit?ting diode（IRED），the noise model of GaAlAs IRED is established，a set of measurement systems of the low fre?quency noise is designed，and low-frequency noise of GaAlAs IRED is obtained by the measurement system.Experi?mental results show that the method can accurately measure low-frequency noise of GaAlAs IRED，and find out that the low-frequency noise is mainly for 1/f noise.The noise model is consistent with the results.The work done above provides an experimental and theoretical basis for low-frequency noise to be used in characterizing reliability of GaAlAs IREDs.

low-frequency noise；IRED；noise model；oxide traps

TN36；TN386.1

A

1005-9490(2015)06-1249-04

4260D

10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.008

項目來源：中國地震局地震研究所基金項目（IS20136001）；重慶市高等教育教學改革研究重點項目（132018）。

2015-02-11 修改日期：2015-03-28