高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應用研究--低頻噪聲測試技術(shù)理論（一）

噪聲信號雖然微弱但其包含信息豐富，由不同機理產(chǎn)生的電流噪聲具有不同的頻率分布特性。由于一般導電樣品中噪聲信號十分微弱，因此對樣品噪聲進(jìn)行有效的分析需要放大倍數足夠大和頻帶范圍足夠寬的放大器對噪聲信號進(jìn)行充分放大。研究表明電子器件與材料中噪聲主要由三種噪聲成分組成，分別為白噪聲（主要為熱噪聲和散粒噪聲）、1/f噪聲和G-R噪聲。噪聲的功率譜密度公式如下：

等式右邊多項式中的三項代表電流噪聲是由三種噪聲成分組成的，其中A為白噪聲幅度，B為1/f噪聲的幅度，γ為頻率指數因子，C為g - r噪聲的幅度、f 0和α分別為g- r噪聲轉折頻率和指數因子；等式左邊的S（f）是噪聲的功率譜密度，其中f是頻率。由于上述三種噪聲分布在低頻段，所以我們通常關(guān)注的是器件的低頻段的噪聲，簡(jiǎn)稱(chēng)低頻噪聲。

2.1.2噪聲的物理理論基礎

器件常見(jiàn)噪聲的完整分類(lèi)如圖2.2所示。電子器件中的低頻噪聲可分為四類(lèi)：熱噪聲、散粒噪聲、g-r噪聲和1/f噪聲。這四種噪聲的性質(zhì)各不相同，噪聲測試技術(shù)的應用中主要考慮g-r噪聲和1/f噪聲，因為這兩種噪聲與器件的缺陷直接相關(guān)，是低頻噪聲研究領(lǐng)域中的主要研究對象。

2.1.2.1熱噪聲

熱噪聲是一種在電阻性元件中普遍存在的噪聲。處于絕對零度以上的導體中的載流子都會(huì )做無(wú)規則的熱運動(dòng)，載流子這種無(wú)規則的熱運動(dòng)就是熱噪聲的微觀(guān)表現。大量載流子無(wú)規則熱運動(dòng)的總體效應就是器件兩端電壓（或電流）的起伏。

載流子這種無(wú)規則的起伏就是熱噪聲，這種噪聲又稱(chēng)為Johnson噪聲，以紀念最早發(fā)現它的科學(xué)家Johnson.熱噪聲的完全表達式如（2-2）式所示：

上式中f是頻率，k為玻爾茲曼常數，R為等效電阻，T為溫度（2-2）式中p（f）成為普朗克因子，由下式定義：

上式就是在一般的頻率和溫度下，熱噪聲的表達式，E的單位為V ²。

從以上理論中我們可以看到熱噪聲的一些特性。由（2-4）式我們可以看到熱噪聲在功率譜密度曲線(xiàn)上為一條直線(xiàn)。如果已知器件的等效電阻，便可計算出器件在不同溫度下的熱噪聲，而不需要實(shí)際測量，這一點(diǎn)與1/f噪聲需要實(shí)際測試才能得到有很大不同。根據（2-4）式還可以計算出器件的等效噪聲電壓（或電流）。這種由熱噪聲導致的等效噪聲電壓（或電流）在給定的溫度下，是無(wú)法消除的，因而在一些傳感器當中，由熱噪聲導致的等效噪聲電壓（或電流）直接決定了系統的分辨率。降低噪聲測試系統中放大器本底噪聲的一種手段就是將整個(gè)系統置于液氮或液氦的低溫系統之中，通過(guò)降低溫度來(lái)降低熱噪聲，提高系統分辨率。值的注意的一點(diǎn)是，熱噪聲是一種普遍現象，這是由物質(zhì)分子熱運動(dòng)的本性決定的，因此不管是否給器件施加直流偏壓，器件中的熱噪聲都是存在的。測試了不同柵材料的低頻噪聲，以噪聲量級作為指標，尋找低噪聲的材料來(lái)改進(jìn)工藝。第三，應用于可靠性表征。器件尺寸縮小后，MOS電容中各種隧穿電流（FN隧穿，直接隧穿，由電應力導致的氧化層陷阱隧穿）噪聲對系統影響越來(lái)越明顯。有研究者研究了各種隧穿電流噪聲與CMOS超大規模集成電路可靠性之間的關(guān)系。