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）式中，代表由絕緣層裂縫或空洞處的陰極材料蒸發(fā)所導(dǎo)致的漏電流密度的減小，是一個(gè)隨著電容兩端所加偏置電壓和陰極材料溫度T遞增的函數(shù)。

D （V ， T）

V隨著偏壓的繼續(xù)增加，介質(zhì)材料中裂縫形成的導(dǎo)電回路已經(jīng)幾乎全部被裂縫處的高分子聚合物的蒸發(fā)所切斷，即高分子聚合物的蒸發(fā)對漏電流的抑制作用已經(jīng)達(dá)到飽和，為一常數(shù)，此時(shí)D（V ,T）→D。而另一方面，電場強(qiáng)度不斷增加，從而導(dǎo)致Frenkel-Poole發(fā)射產(chǎn)生的漏電流機(jī)制在高場強(qiáng)下迅速增強(qiáng)，于是出現(xiàn)了漏電流開始不斷上升的趨勢。此時(shí)的漏電流輸運(yùn)機(jī)制可用如（4-5）式描述：

又由于聚合物鉭電容的漏電流和電流噪聲單調(diào)性一致，所以圖4.13中的噪聲譜圖也同樣隨偏置電壓的增大先減小后增大。

4.4.4聚合物鉭電容的損傷與噪聲之間的關(guān)系

本研究對鉭電容進(jìn)行了過電壓損傷下的漏電流噪聲測試和反向電壓損傷下的漏電流噪聲測試，研究了這兩種情況下噪聲與損傷程度的關(guān)系，并對該關(guān)系進(jìn)行了理論分析。

（1）過電壓損傷與噪聲之間的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)對AVX公司型號(hào)為157C的聚合物鉭電容在一定偏壓下進(jìn)行了漏電流噪聲測試，研究了的過電壓損傷與噪聲之間的關(guān)系。該器件額定工作電壓為16V，標(biāo)稱容值為150uf，實(shí)際容值為136uF.我們在16V、20V、25V這三個(gè)電壓下對器件施加了10秒、30秒和50秒的直流偏壓，測試了這三種不同電應(yīng)力老化時(shí)間下的噪聲功率譜密度和漏電流，觀察在老化過程中器件的噪聲變化。最后提取了該器件的各種噪聲參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象。結(jié)果顯示該電容的漏電流噪聲對器件的過電壓損傷非常敏感，噪聲幅值與器件損傷程度成反比。然而傳統(tǒng)鉭電容的噪聲幅度都與損傷程度成正比。測試結(jié)果還反映了該器件具有很好的耐壓可靠性。在16V、20V的過電壓下該電容的容值和漏電流無明顯變化，同時(shí)噪聲也無明顯降低。當(dāng)偏壓提高到25V時(shí)，該器件的容值和漏電流均出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，同時(shí)噪聲隨著老化損傷時(shí)間的增加開始降低。

從圖4.15可以看到功率譜密度在1Hz-3Hz上的電容噪聲幅度隨器件的老化時(shí)間的增長而下降，降低幅可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種特殊的現(xiàn)象可以通過鉭電容的內(nèi)部微觀缺陷和高分子導(dǎo)電聚合物的特性來解釋。任何一個(gè)電容內(nèi)部的絕緣介質(zhì)都不是完全連續(xù)的，在絕緣表面的某些地方會(huì)產(chǎn)生裂縫或者空洞，形成導(dǎo)電回路，電流流經(jīng)這些導(dǎo)電回路形成了漏電流。這些導(dǎo)電回路中的漏電流流過陰極在陰極上產(chǎn)生功耗，使電容內(nèi)部局部溫度慢慢上升，因此這些裂縫或者空洞是導(dǎo)致電容失效的主要原因。當(dāng)電容的局部溫度升高到一定溫度時(shí)，會(huì)將陰極導(dǎo)電高分子材料蒸發(fā)，使連接陽極和陰極的導(dǎo)電回路斷開，該過程如圖4.16所示。這就是聚合物鉭電容的自愈過程。這種微觀結(jié)構(gòu)上的回路斷開反映到宏觀現(xiàn)象上就是出現(xiàn)漏電流的減少。又由于漏電流與漏電流噪聲幅度成正比，因而電流功率譜密度降低。老化時(shí)間越長，器件內(nèi)部的局部高溫點(diǎn)就越多，并且局部高溫點(diǎn)會(huì)逐漸向周圍擴(kuò)散，這就會(huì)導(dǎo)致被斷開的回路越多，因而噪聲降低的幅度越大。

漏電流噪聲的功率譜密度幅值對電流密度的變化很敏感。由于器件中缺陷部位的電流密度會(huì)有較大變化，因此器件內(nèi)部的缺陷越多，其漏電流噪聲的異常越明顯，所以漏電流噪聲可以作為表征聚合物鉭電容可靠性的指標(biāo)。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中通過Matlab軟件對噪聲曲線進(jìn)行了低頻噪聲標(biāo)準(zhǔn)模型的擬合，低頻噪聲標(biāo)準(zhǔn)模型如（4-6）式所示：

等式右邊多項(xiàng)式中的兩項(xiàng)代表低頻電流噪聲的兩種主要噪聲成分，其中A為白噪聲幅度，B為1/f噪聲的幅度，γ為頻率指數(shù)。頻率指數(shù)的值通常約為1，如果該值較大，說明器件中含有爆裂噪聲。爆裂噪聲表現(xiàn)在功率譜密度曲線上為洛倫茲譜。

擬合數(shù)據(jù)顯示不同電應(yīng)力條件下，該類器件的1/f噪聲幅度有所不同，但其白噪聲幅值始終穩(wěn)定在1×10^-21 A²/Hz.頻率指數(shù)為1.81，這說明該類器件的噪聲頻譜中含有微弱的洛倫茲譜。

（2）反向電壓老化與噪聲之間的關(guān)系

接下來本文對型號(hào)為157T的聚合物鉭電容施加了2.5V反向應(yīng)力，測試了不同反向應(yīng)力時(shí)間后的電容噪聲和漏電流，研究了低頻噪聲與器件反向應(yīng)力損傷之間的關(guān)系。該器件額定工作電壓為50V，標(biāo)稱容值為150uf，實(shí)際容值為136uF.

從圖4.17中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看到電容噪聲功率譜密度幅度與器件的反向應(yīng)力損傷時(shí)間成反比。隨著電容兩端施加反向電壓時(shí)間的不斷增加，電容的噪聲在低頻段不斷降低，降低幅度達(dá)到50%.該現(xiàn)象可以由鉭電容在施加反向應(yīng)力時(shí)發(fā)生的特殊效應(yīng)來解釋。對電容施加反向電壓時(shí)，電容中絕緣層中的裂縫或空洞會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)流過非常大的電流，該電流會(huì)使電容中的缺陷部分快速升溫。

在這種快速升溫的反應(yīng)條件下，高分子聚合物會(huì)吸收周圍材料中的氧。這就在絕緣介質(zhì)缺陷附近產(chǎn)生了高氧含量的空間，這種高氧空間成為一個(gè)阻抗極高的絕緣層，覆蓋住原有的缺陷，進(jìn)而切斷了裂縫或空洞處的漏電流并降低了漏電流噪聲。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中通過Matlab對噪聲曲線進(jìn)行了擬合，同樣發(fā)現(xiàn)不同反向應(yīng)力條件下，器件的1/f噪聲幅度有所不同，其白噪聲幅值始終穩(wěn)定在1.5×10^-24 A² /Hz，頻率指數(shù)為1.92.