高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應(yīng)用研究--用于聚合物鉭電容的漏電流噪聲研究

4.4電流噪聲測試技術(shù)應(yīng)用于聚合物鉭電容的漏電流噪聲研究

4.4.1有機聚合物鉭電容的特點

有機聚合物鉭電容被廣泛應(yīng)用于宇航電子設(shè)備以及其他對可靠性或性能有較高要求的電子設(shè)備中。該器件采用導電率較高的有機聚合物半導體材料作為電容陰極代替了傳統(tǒng)鉭電解電容的二氧化錳陰極，實現(xiàn)了非常低的電容ESR值，更加優(yōu)異的頻率特性和溫度特性以及更長的使用壽命，因而具有更高的可靠性。有機聚合物鉭電容是常見極性電容中性能最優(yōu)異的產(chǎn)品，其性能遠高于傳統(tǒng)鋁電解電容或鉭電解電容。

4.4.2電流噪聲測試和漏電流測試實驗方案

本文改進并簡化了已有絕緣介質(zhì)漏電流測試方法，采用如圖4.12所示的測試系統(tǒng)測量聚合物鉭電容的漏電流噪聲信號。首先給待測樣品施加一直流偏置電壓V，然后通過SR570電流放大器將流過電容的微弱漏電流噪聲信號放大，得到放大后的時域信號I（t）并通過計算機平臺上的數(shù)據(jù)采集卡采集該放大后的信號，之后在Labview軟件平臺下通過快速傅里葉變換將時域上的信號轉(zhuǎn)換為頻域上的電流功率譜密度SI（f）。然后本方案采用3.3.2節(jié)中提到的測試方案中的歸一化函數(shù)對頻譜數(shù)據(jù)進行還原。通過改變偏置電壓V我們可以測得不同偏壓下的電容漏電流噪聲。

在漏電流測試驗中，我們采用半導體參數(shù)儀Keithley 4200-CSC測試了不同偏置電壓下聚合物鉭電容的漏電流，即器件的I-V特性。

4.4.3聚合物鉭電容的漏電流輸運機理及噪聲特性

（一）漏電流與噪聲之間的關(guān)系

本實驗測量了標稱容量10uF，實際容量9.42uF的聚合物鉭電容在不同偏置條件下的漏電流和漏電流噪聲，結(jié)果分別在表4.7和圖4.13中。從數(shù)據(jù)中可以看出聚合物鉭電容的電流噪聲功率譜密度與漏電流幅度變化的單調(diào)性一致，都是先減小后增大。已有文獻中數(shù)據(jù)也顯示傳統(tǒng)鉭電解電容電流噪聲功率譜密度與漏電流幅度的一次方至四次方成正比。

本實驗的結(jié)果與已有文獻中傳統(tǒng)鉭電解電容電流噪聲與漏電流的比例關(guān)系一致。雖然聚合物鉭電容與傳統(tǒng)鉭電解電容的結(jié)構(gòu)和陰極材料不一樣，但二者電流噪聲與漏電流的關(guān)系相同，這可能說明導致聚合物鉭電容電流噪聲的主要機制與傳統(tǒng)鉭電容一樣，在介質(zhì)材料Ta₂O₅中，而非陽極或陰極材料中。

由于電流噪聲反映的是微觀載流子的漲落，而漏電流又直接與器件中的自由載流子濃度成正比，所以我們結(jié)合本試驗數(shù)據(jù)和已有文獻中的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：聚合物鉭電容中構(gòu)成漏電流輸運的自由載流子的濃度越大，其漲落也越大。

（二）漏電流輸運機理

本實驗對多種不同型號的聚合物鉭電容進行了漏電流與偏置電壓的I-V曲線測試，在各種樣品中均發(fā)現(xiàn)了漏電流隨偏壓先減小后增大的變化規(guī)律。

圖4.14是本實驗中測得的10uF聚合物鉭電容在不同偏壓下的漏電流特性。

從圖中我們可以看到漏電流并不會隨著偏壓的增大而單調(diào)變化，而是先減小后增大。這與文獻中傳統(tǒng)鉭電解電容的電流噪聲隨偏壓的升高而單調(diào)遞增的結(jié)果不一致。

產(chǎn)生電容漏電流的機制有很多種，主要機制有FN隧穿、直接隧穿、Frenkel-Poole發(fā)射、Schottky發(fā)射。除此之外離子輸運電流、歐姆輸運電流也會對漏電流有一定影響。在傳統(tǒng)鉭電容中，漏電流主要是由Frenkel-Poole發(fā)射導致。

上式中，A是比例系數(shù)，Φ表示絕緣層中陷阱的勢壘深度，ε是絕緣層的相對介電常數(shù)。從（4-2）式我們可以看出，在溫度一定的情況下，絕緣層中電流密度會隨著電場強度的增加而變大，而且電場強度越大，F(xiàn)renkel-Poole發(fā)射的作用越明顯。

根據(jù)（4-3）式，如果聚合物鉭電容中起主導作用的漏電流輸運機制也是Frenkel-Poole發(fā)射，則電容的漏電流會隨著偏壓的增大而不斷增大[35]。所以從圖4.14中漏電流隨偏壓的變化趨勢可以看出在聚合物鉭電容漏電流輸運機理中，起主導作用的并非僅僅是Frenkel-Poole發(fā)射。

圖4.14中的現(xiàn)象可以用聚合物鉭電容中的Frenkel-Poole發(fā)射和高分子有機聚合物蒸發(fā)導致的導電回路的中斷這兩種機制來解釋。這兩種機制共同作用于漏電流輸運機制，并且二者是競爭的關(guān)系。