PN結(jié)二極管散粒噪聲測試方法研究

摘要：針對散粒噪聲難以測量的特點，提出了一種低溫散粒噪聲測試方法。在屏蔽環(huán)境下，將被測器件置于低溫裝置內(nèi)，有效抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾，采用背景噪聲充分低的放大器以及偏置器、適配器等，建立低溫散粒噪聲測試系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對PN結(jié)二極管進行散粒噪聲測試，得到了很好的測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：散粒噪聲；擴散電流；低溫裝置；PN結(jié)

0 引言
近年來，隨著對散粒噪聲研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)散粒噪聲可以很好地表征納米器件內(nèi)部電子傳輸特性。由于宏觀電子元器件中也會有介觀或者納米尺度的結(jié)構(gòu)，例如：勢壘、缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也會產(chǎn)生散粒噪聲，并且可能攜帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這使人們對宏觀電子元器件中散粒噪聲研究產(chǎn)生了極大的興趣。另一方面，隨著器件尺寸的不斷縮小，器件中散粒噪聲成分也越來越顯著，已經(jīng)嚴重影響器件以及電路的噪聲水平，人們必須要了解電子元器件中散粒噪聲的產(chǎn)生機理和特性，以便更好地抑制器件的散粒噪聲，實現(xiàn)器件和電路的低噪聲化。
對于二極管而言，在室溫條件下，散粒噪聲被其他類型的噪聲所淹沒，一般在實驗中很難觀察到它的存在。目前國內(nèi)外對于散粒噪聲測試技術(shù)的研究取得了很大的進展，但是普遍存在干擾噪聲大、測試儀器價格昂貴等問題，難以實現(xiàn)普及應(yīng)用。本文所介紹的測試系統(tǒng)是在屏蔽環(huán)境下將被測器件置于低溫裝置內(nèi)，抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾；同時使用低噪聲前置放大器使散粒噪聲充分放大并顯著降低系統(tǒng)背景噪聲顯著；通過提取噪聲頻譜高頻段平均值，去除了低頻1／f噪聲的影響，使測試結(jié)果更加的準確。使用本系統(tǒng)測試二極管散粒噪聲，得到了很好的測試結(jié)果。
本文的工作為散粒噪聲測試提供了一種新的有效方法，并運用此測試系統(tǒng)測試了PN結(jié)二極管散粒噪聲，得到了很好的測試結(jié)果。

1 測試原理
對于P-N結(jié)二極管中散粒噪聲的測試，主要影響因素包括：外界電磁干擾、低頻1／f噪聲、熱噪聲以及測試系統(tǒng)背景噪聲等。
散粒噪聲屬于微弱信號，在實際測試中外界電磁干擾對測試結(jié)果影響顯著，將整個實驗裝置放置于電磁屏蔽環(huán)境下進行測試，這樣就有效地抑制了外界電磁干擾。散粒噪聲和熱噪聲均屬于白噪聲，在室溫下由于熱噪聲的影響，一般很難測量到散粒噪聲的存在，因此需要最大限度降低熱噪聲的影響。在測試中將待測器件置于液氮環(huán)境中，此溫度時器件熱噪聲相對于散粒噪聲可以忽略。對于器件散粒噪聲的測試，必須通過充分放大才能被數(shù)據(jù)采集卡所采集，所以要求放大器要有足夠的增益，同時要求不能引入太大的系統(tǒng)噪聲，否則，系統(tǒng)噪聲會淹沒所測器件的散粒噪聲，因此采用低噪聲高增益的前置放大器。
對于PN結(jié)二極管，其低頻1／f噪聲也是非常顯著的，它對散粒噪聲的影響很大，由于1／f只是在低頻部分明顯，在高頻部分很小，因而可以通過提取噪聲高頻部分的平均值來降低1／f噪聲對測試的影響，使測試結(jié)果更加的準確。據(jù)此，設(shè)計了一種低溫散粒噪聲測試系統(tǒng)。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計及測試方案
測試系統(tǒng)如圖1所示，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集和噪聲分析系統(tǒng)組成。將所有測試設(shè)備放置于雙層金屬網(wǎng)組成的屏蔽室內(nèi)，可以有效地抑制外界電磁噪聲的干擾；測試系統(tǒng)低溫裝置是一個裝有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的測試溫度，這樣就有效的降低了熱噪聲的影響。VCC為電壓可調(diào)的低噪聲鎳氫直流電池組，為器件提供工作電壓，電池組不能用直流電源代替，因為直流電源的噪聲比較大。

電阻器屬于低噪聲線繞電位器，最大阻值均為10 kΩ，用于電壓源的調(diào)節(jié)。同時為了測試更加準確，電阻器一并置于液氮裝置內(nèi)，以降低其自身熱噪聲的影響。前置放大器采用美國EGG普林斯頓應(yīng)用研究公司制造的PARC113型低噪聲前置放大器，放大增益范圍為20～80 dB，測試帶寬為1～300 kHz，其背景噪聲很低，滿足實驗的測試要求。
數(shù)據(jù)采集和噪聲分析軟件包含五大功能：噪聲頻譜分析、器件可靠性篩選、噪聲分析診斷、時頻域子波分析和時域分析。對于散粒噪聲分析，主要用到噪聲頻譜分析模塊。