МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

Отчет по научно-исследовательской практике

Тема: Исследование влияния низкочастотных шумов на работу ИС

Выполнил студент гр. ФТ – 121 Клюкин А.А.

Руководитель Пантелеев В.И.

Защищен____________________Оценка________________________________

2013 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

ЗАДАНИЕ

на отчет по научно-исследовательской практике

Тема работы: Исследование влияния низкочастотных шумов на работу ИС

Студент группы ФТ–121 Клюкин Артём Александрович

Провести исследования по выявлению возможных изменений параметров низкочастотного шума МДП-микросхем после воздействия электростатического разряда, предположить возможные причины изменения шумовых параметров после воздействия электростатическим разрядом.

Сроки выполнения этапов__________________________________________

Срок защиты отчета_______________________________________________

Руководитель Пантелеев В.И.

Задание принял студент Клюкин А.А.

Содержание

Введение 4

1 Общие сведения о шумах полупроводниковых изделий 5

1.1 Собственные шумы полупроводниковых изделий 5

1.2 Виды шумов полупроводниковых изделий 5

1.3 Физические модели возникновения низкочастотных шумов в ППИ 8

2 Описание технологической установки 14

3 Изучение влияния электростатического разряда на уровень

низкочастотного шума МДП-микросхем 15

Заключение 28

Список литературы 29

Введение

В настоящее время развитие электронной техники предъявляет все более высокие требования к функциональности полупроводниковых изделий (ППИ). В связи с этим все сильнее и сильнее усложняется конструкция ППИ, увеличивается степень интеграции, уменьшаются топологические размеры элементов схем. Как следствие, возникает потребность в более жестком и эффективном контроле качества изготавливаемых изделий.

В настоящее время на предприятиях широко используются технологические отбраковочные испытания, включающие в свой состав электротермотренировку. Но такие методы требуют довольно больших затрат (на стенды, дополнительную площадь, электроэнергию и т.д.). В связи с этим большое распространение получили так называемые альтернативные диагностические методы отбраковки потенциально ненадежных ППИ. К таким методам и относятся методы, основанные на измерении параметров низкочастотного шума полупроводниковых приборов.

Приведенные выше аргументы служат источником повышенного интереса к изучению низкочастотных шумов ППИ. Целью настоящей работы является экспериментальное измерение величины низкочастотного шума диодов, транзисторов (маломощных, средней мощности и мощных), их зависимости от тока и температуры.

1 Общие сведения о шумах полупроводниковых изделий

1.1 Собственные шумы полупроводниковых изделий

Любой полупроводниковый прибор или элемент цепи генерирует флуктуирующий ток или напряжение. Если такой сигнал подать на усилитель низкой частоты, а с него на динамик, то можно услышать шипящие звуки. Этим можно объяснить термин «шум»[1].

Флуктуирующие напряжения и токи являются случайными переменными. Наиболее распространенные источники шума имеют такой характер флуктуаций, что их средние значения и средние квадраты не зависят от времени. Такие случайные переменные называют стандартными.

Флуктуирующую величину X(t) можно описать ее стандартной плотностью S_X(f).

1.2 Виды шумов полупроводниковых изделий

Собственные шумы полупроводниковых изделий в зависимости от природы возникновения и частотных характеристик можно разделить на тепловые, дробовые и низкочастотные (НЧ)[1].

Общая зависимость различных видов шумов от частоты показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Распределение спектра мощности шума от частоты[1]

Тепловой шум – это шум, вызванный хаотическим тепловым движением носителей заряда в объеме твердого тела. Этот вид шума существует в любом проводнике и полупроводнике. Его среднее квадратичное значение напряжения определяется по формуле Найквиста [2,3]

, (1)

где k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

R – активное внутреннее сопротивление прибора;

Δf – эквивалентная шумовая полоса частот.

Дробовой шум возникает вследствие флуктуации концентрации носителей заряда за счет случайности процесса генерации и рекомбинации.

В полупроводниковых изделиях (ППИ) дробовой шум генерируется p-n-переходами, причем величина шума зависит от полярности приложенного напряжения. Этот вид шума может быть создан не только основными, но и неосновными носителями заряда. Вклад зарядов каждого вида зависит от режима работы ППИ [4,5].

В случае дробового шума среднеквадратичное значение шумового тока определяется по формуле Шоттки[6]

, (2)

где q – заряд электрона;

I – ток, протекающий через p-n-переход.

В транзисторах дробовой шум возникает как в эмиттерном, так и в коллекторном переходах. В этом случае среднеквадратичное напряжение шума можно определить формулой

, (3)

, (4)

где r_э, r_к – активные сопротивления эмиттера и коллектора соответственно.

В полупроводниковых материалах и приборах на их основе наблюдается еще один вид шума. Он обусловлен флуктуациями скоростей процессов генерации и рекомбинации носителей заряда, что приводит к флуктуациям концентрации свободных носителей. Этот вид шума возникает в полупроводниковых приборах из-за присутствия в материале примесных атомов и нарушений кристаллической решетки, дающие в запрещенной зоне дополнительные уровни энергии, называемые ловушечными. Генерация-рекомбинация носителей заряда через такие уровни и приводит к возникновению генерационно-рекомбинационного шума (ГР-шума)[1].

Величину ГР-шума принято характеризовать коэффициентом депрессии Г². Рассчитывается величина коэффициента Г² обычно в приближении случайного телеграфного сигнала по формуле[7]

, (5)

где R_S – скорость поверхностной рекомбинации;

– максимальная скорость поверхностной рекомбинации.

Кроме того коэффициент депрессии можно рассчитать по формуле

,

где m – коэффициент неидеальности.

Наибольший интерес представляют низкочастотные шумы (НЧШ), преобладающие на частотах до 5 кГц (рисунок 1). Нижняя граница спектра НЧШ у полупроводниковых изделий равна 10^-7 Гц [8]. Также их называют фликкер-шумами, 1/f – шумами.

Этот вид шума не связан однозначно с пропусканием тока. Он обнаруживается и при эффекте Холла, то есть при приложении магнитного поля. Таким образом, можно предположить, что НЧШ связан с флуктуациями сопротивления образцов, а не является возмущением при прохождении тока по образцу.

Наряду с равновесным НЧШ, существует НЧШ, возникновение которого напрямую связано с прохождением тока или другими внешними воздействиями на ППИ (радиация, воздействие статическим электричеством и др.). Этот вид шума называется неравновесным фликкер-шумом. В общем случае равновесные и неравновесные фликкер-шумы присутствуют одновременно[5].

Как показывает анализ, во многих случаях неравновесный НЧШ является наиболее информативным индикатором качества ППИ по сравнению с равновесным шумом. Неравновесные флуктуации несут информацию о различных видах нарушений в кристаллической решетки твердого тела и обладают высокой чувствительностью к скрытым дефектам[5].