CC BY
221
Петрунин В.В.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ШУМА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО
РЕСУРСА РАБОТЫ
Шумы радиоэлектронных элементов представляют собой важную проблему в науке и технике, поскольку они определяют нижние пределы точности любых измерений, так и в отношении величины сигналов, которые могут быть обработаны средствами электроники.
Шумовые параметры и характеристики полупроводниковых приборов являются необходимыми и обязательными при проектировании радиоэлектронных устройств. Существует прямая связь между уровнем шумов и надежностью полупроводниковых приборов, шумовые характеристики также служат основанием для определения физических параметров полупроводниковых приборов.
Шумы в элементах полупроводниковых интегральных схем имеют различную природу, шумовой спектр зависит от протекающего через радиоэлемент тока, температуры и других факторов.
Собственные шумы полупроводниковых приборов и других элементов РЭА несут информацию об их надежности. Электрический ток, проходя по радиоэлементу, проявляет нестабильность величины, что проявляется в появлении электрического шума. Физической основой метода прогнозирования отказов полупроводниковых приборов по их низкочастотным шумам является зависимость уровня шума от наличия дефектов структуры и контактов прибора. Основными источниками шума в электрических цепях и активных элементах являются:
- тепловой шум. Существует в любом проводнике или полупроводнике. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума определяется по формуле Найквиста. Этот шум вызывается хаотическим тепловым движением носителей заряда;
- дробовый шум. Этот шум возникает вследствие флуктуации концентрации носителей заряда за счет случайности процессов генерации и рекомбинации. Для определения среднеквадратичного значения шумового тока пользуются формулой Шоттки.
Для полупроводникового прибора с р-п переходами учитывают, что ток через переход является суммой прямого и обратного токов, причем каждому их них присущ дробовый шум. Поэтому в транзисторах дробовые шумы возникают в эмиттерном и коллекторном переходах.
Тепловой и дробовый виды шумов прямо не связаны с дефектами приборов и не содержат дополнительной информации о потенциальной надежности исследуемого прибора.
- НЧ шумы. В литературе по надежности РЭА нет единой терминологии для данного вида шума. Встречаются названия: фликкер-шум, шумы мерцания, избыточные шумы и НЧ шумы.
Причиной возникновения этого шума являются различные дефекты в структурах полупроводниковых приборов. Для этого вида шума обычно рассматривают спектральную плотность мощности этого шума. Энергетический спектр шума зависит от источника флуктуации, а так же от полосы пропускания цепей, через которые проходит сигнал. Спектральная плотность мощности шума равна усредненной по времени мощности, приходящейся на единицу полосы частот, и характеризует распределение мощности в спектре частот.
Основные виды отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) прогнозируются по уровню их НЧ шумов, поэтому через характеристики НЧ шума, измеряя спектральную плотность мощности шума можно определить показатели надежности полупроводниковых приборов и ИС.
Измеряя напряжение и ток в радиоэлементах РЭА, можно выделить и измерить НЧ шум. Метод основыва-
ется на получении спектральной плотности мощности шума на некоторой частоте. Измеряя эффективное напряжение шума при помощи высокочувствительного измерителя с известной полосой пропускания, можно
определить состояние данного элемента - как долго еще он будет работать.
Структурная схема устройства приведена на рисунке 1
Рисунок 1 Структурная схема устройства
Устройство состоит из фильтра низких частот (ФНЧ), который пропускает низкочастотный спектр. Измерение НЧ шумов желательно производить в статическом режиме - без рабочих сигналов, но, при необходимости, можно и в рабочем режиме. ФНЧ не пропускает рабочие сигналы. Сигналы НЧ шумов малы по величине, поэтому они усиливаются малошумящим усилителем постоянного тока (УПТ), а затем поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровые коды с выхода АЦП вводятся в персональный компьютер (ПК), где обрабатываются по специальной программе и на экран выводится спектральная плотность мощности шума полупроводникового элемента.
Температура оказывает сильное влияние на основные электрические параметры полупроводниковых приборов и ИС, а также на характеристики НЧ шума. Поэтому при измерениях необходимо учитывать температуру элемента.
