電子元器件低頻電噪聲測試技術及實踐

鄂爾多斯理工學校 內蒙古 鄂爾多斯 017000

前言

近年來,隨著制造業水平提升,對電子元器件的應用也越來越廣泛,而在判斷元器件缺陷、問題時,最主要的依據就是元器件發出的低頻電噪聲,研究噪聲測試技術,可找出元器件內部缺陷,有利于完善元器件缺陷,提升設備運行質量。因此噪聲測試技術研究十分必要。

一、電子元器件低頻電噪聲類型

從噪聲頻域特征上來看,可以分為有色噪聲及白噪聲,有色噪聲指的是元器件噪聲功率譜幅度值隨著測試頻率變化而發生改變的噪聲,主要有If噪聲、G-R噪聲、RTS噪聲以及超高頻散粒噪聲。白噪聲則指的是器件噪聲功率譜密度在相對寬帶頻率的范圍內維持不變,即噪聲幅度值不會因頻率變化而變動,在功率譜密度圖內呈現出水平或接近水平的置線,主要包含熱噪聲及散粒噪聲。

根據噪聲產生的機理進行分類,可分為平衡噪聲以及非平衡噪聲。平衡噪聲指的是電子器件在無偏置的情況下,電子自發隨機運動而引起的噪聲,主要的平衡噪聲為熱噪聲。非平衡噪聲是電子器件在發生偏置的情況下出現的噪聲,由于內部電荷運輸受物理過程印象,此類噪聲就是非平衡噪聲,如果消除了偏置條件,就會使噪聲消失。常見的非平衡噪聲有If噪聲、G-R噪聲、RTS噪聲以及散粒噪聲。

根據噪聲的產生機制進行分類,可將I/f噪聲分為基本噪聲及非基本噪聲。劃分的依據為:在電子元器件中存在內部缺陷,如空間電荷去、氧化層及導電溝道等不畏的缺陷,會導致元器件載流子運輸出現隨機性。就會引起元器件輸運載流子變動,誘發噪聲。在元器件制造、應用的過程中提升元器件質量,可以有效抑制噪聲的出現,甚至是避免了噪聲的產生,因此被稱為非基本噪聲。此外,因電子元器件內部出現散射引發的元器件載流子或是遷移率變化也會出現I/f噪聲[1]。

二、電子元器件低頻電噪聲測試技術應用

(一)電子元器件低頻電噪聲測試技術

1.偏執技術。偏執技術包括交流偏執技術、直流偏置技術、低噪聲偏置技術三種技術。低噪聲偏執技術有某些特定要求限制,限制在偏置源發出噪聲比較小,但是電子元器件發出噪聲比較大的情況下,可以應用此技術開展噪聲測試。測試人員要在測試前準備好鎳氫電池組,以備需要輸出較高的電壓時組成串聯,將電池組連接到一起。應用該技術己行噪聲測試時,要將低通濾波配合進行,以降低電源噪聲,避免其影響電子元器件噪聲測試結果精度。

2.放大技術。即應用雙通道互譜技術、擴頻測試技術對噪聲進行放大處理再加以研究。在應用擴頻測試技術的過程中,如果電子元器件具有比較高的電阻,噪聲就很難被人察覺,就會增加測試難度。這時就應該把電流放大器與電壓放大器并聯起來,將微弱、難以察覺、難以拾取的電流噪聲放大,提升測試精準度及效率。

3.數據采集技術。數據采集技術包含DMA雙緩沖技術和數據流盤技術。DMA雙緩沖測試技術又可分為總線主控DMA技術與雙緩沖技術。在采集和收集數據時,相關人員可以將采集而來的數據放入D2K-LVIEW庫中,提取噪聲發出的數據,此后將采集到的數據傳輸至測試系統內部,然后進行有效地噪聲處理,并獲得最后的噪聲處理結果。

(二)噪聲測試技術的應用

1.噪聲測試系統設計。以測試上述幾種電子元器件低頻噪聲測試技術的效果為目的,檢測能否檢測出噪聲。本文以電阻器的噪聲為例,對元器件的噪聲開展測試。設計的噪聲測試系統分為設備、系統兩個部分。系統部分包括虛擬儀器技術,可以使用圖形化操作界面,完善噪聲測試過程中的控制效果。硬件方面則包括低噪聲適配器、放大器、計算機及電源四個部分。通過軟件及硬件的配合,實現控制后,系統自動生產噪聲的頻譜。通過頻譜圖及參數記算,得出噪聲測試的準確結果。

2.元器件低頻電噪聲測試。電阻器包含薄膜與厚膜兩種類型電阻器,以提升噪聲測試結果的精準度為目的,本文選取了不同類的幾種電阻器作為測試樣本,開展低頻電噪聲測試。其中厚膜電阻器選用10Ω、100Ω、10kΩ、20kΩ等,薄膜電阻器則應用20kΩ、100kΩ、500kΩ和1MΩ四種類型。在準備好各類電阻器后,測試人員在列出的不同型號的電阻器中各選出兩個樣本,分別進行測試,每個電阻器測試五次,共計1100次,統計結果,計算五次測試的平均值,取結果的平均值[2]。

3.噪聲測試結果。通過分析測試結果,獲得以下幾組數據:首先通過電阻值為20kΩ的樣品可以看出,相同的電阻值,薄膜電阻噪聲指數平均值為37.5分貝,厚膜電阻的噪聲指數均值為12.4分貝;當樣品的電阻值為1MΩ時,相同的電阻值,薄膜電阻的噪聲指數均值為22.2分貝,厚膜電阻的噪聲指數均值為12.2分貝。另一部分樣品,測試電阻值為29kΩ的電阻器,電阻相同時,薄膜電阻的噪聲指數均值為37.9分貝,厚膜電阻測試結果均值為12.4分貝;選用1MΩ的樣品電阻器,當電阻數值一樣時,薄膜電阻噪聲指數均值為22.6分貝,厚膜電阻的均值為13.2分貝。通過兩組樣品的對比可以看出,不同的電阻值,薄膜電阻、厚膜電阻噪聲指數會有所變化,電阻值相同時,厚膜電阻及薄膜電阻的噪聲指數存在差異。

4.噪聲測試結論。通過分析、對比測試結果可以看出,電阻的噪聲指數于電阻是數值有明確管理,相同類型的電阻隨著電阻值的變化,噪聲指數也會有所波動,這一變化與電阻值的變化成正比關系。當薄膜電阻與厚膜電阻的電阻數值相同時,薄膜電阻的噪聲指數往往會低于厚膜電阻。結合多種噪聲測試技術開發出的電子元器件低頻電噪聲測試技術,能夠有效、精準的測試出元器件的噪聲指數,在應用元器件的生產制造領域中,具有很高的利用價值,值得推廣及應用。