摘 要：針對現(xiàn)有方法忽視了微弱的噪聲缺陷信號、降低了低頻電噪聲缺陷檢測準確性的問題，該文提出一種新型電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)。首先，完成低頻電噪聲放大和采集工作，其次，提取電子元器件低頻電噪聲基本參量，將電子元器件的相關(guān)參量提取出來，擬合為噪聲頻譜及時間信號。最后，檢測電子元器件內(nèi)部散粒噪聲，分析電子元器件電阻中導(dǎo)電不連續(xù)微粒的電流信號，得到晶體管內(nèi)的熱噪聲、白噪聲特性，使電子元器件的噪聲缺陷檢測更全面。利用試驗證明所提技術(shù)的先進性，試驗結(jié)果表明，所提技術(shù)噪聲缺陷檢測準確性更高，能夠應(yīng)用于實際生活中。

關(guān)鍵詞：電子元器件；低頻電噪聲；噪聲缺陷；檢測技術(shù)

中圖分類號：TP 393.08" " " 文獻標志碼：A

1 電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)

為了對電子元器件低頻電噪聲缺陷進行精準識別，應(yīng)先做好其數(shù)據(jù)采集工作，本次先對電子元器件的低頻電噪聲進行放大，然后再對其進行采集?；趯嶒炇椰F(xiàn)有電流放大器，利用其在特定放大倍數(shù)下的傳輸函數(shù)進行信號還原計算。將原本被放大器無法正常放大而衰減的高頻信號計算還原，以達到擴展測試頻率的目的。具體操作步驟如下。首先，鎖相放大器輸出進行等幅掃頻，將掃頻信號輸入電流放大器。其次，在不同頻率下測試放大器輸出信號幅度，從而得到放大器對頻率不同響應(yīng)，即放大器的幅頻特性曲線函數(shù)I（f）。最后，對其進行歸一化處理，得到歸一化函數(shù)，如公式（1）所示。

（1）

式中：A0為放大倍數(shù)；I0為掃頻信號有效值。最后將歸一化函數(shù)與噪聲數(shù)據(jù)進行計算，得到其器件噪聲S0（f），以此來得到還原后展寬后信號功率譜密度，如公式（2）所示。

（2）

電子器件低頻電噪聲放大后，本次基于DMA雙緩沖技術(shù)采集和存儲噪聲數(shù)據(jù)。DMA雙緩沖技術(shù)是在數(shù)據(jù)傳輸期間使用2個緩沖區(qū)來交替接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個緩沖區(qū)正在接收數(shù)據(jù)時，另一個緩沖區(qū)可以同時進行處理或被讀取。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，同時進行數(shù)據(jù)的處理或讀取操作，提高了系統(tǒng)的效率。本次在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)用的總線控制器是一個內(nèi)建的PLX IOP-480 PLC控制器，它將所采集的數(shù)據(jù)直接傳送至計算機的內(nèi)存而不經(jīng)過CPU，從而減少了數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)存及微機上的消耗。對于雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸來說，數(shù)據(jù)緩沖是數(shù)據(jù)采集卡上的循環(huán)緩沖，它可以分為相等的2個部分。當數(shù)據(jù)采集卡開始將數(shù)據(jù)寫進循環(huán)緩沖的第一部分時，雙緩沖操作開始了。當卡開始往循環(huán)緩沖的第二部分寫進數(shù)據(jù)時，用戶可將第一部分緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)的傳輸緩沖中。此時，用戶可根據(jù)應(yīng)用程序的需要對數(shù)據(jù)進行處理。當采集卡將循環(huán)緩沖的第二部分寫滿后，它將回到第一部分緩沖區(qū)，并覆蓋原數(shù)據(jù)。此時，用戶可以將循環(huán)緩沖中第二部分的數(shù)據(jù)送入傳輸緩沖。這個過程可以無限地重復(fù)下去，從而為應(yīng)用程序提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。由此完成電子元器件低頻電噪聲數(shù)據(jù)采集設(shè)計。

1.1 提取電子元器件低頻電噪聲基本參量

在完成電子元器件低頻電噪聲數(shù)據(jù)采集后，提取低頻電噪聲的基本參量[1]。電子元器件噪聲信號包括等效電壓噪聲與等效電流噪聲，將其劃分為等效輸入噪聲，避免噪聲缺陷提取遺漏的問題[2]。等效輸入噪聲是根據(jù)輸出噪聲得出的，電子元器件自身信號傳輸特性較為穩(wěn)定，不易發(fā)生變化。噪聲系數(shù)為變量，如公式（3）所示。

（3）

式中：NF為低頻電噪聲的噪聲系數(shù)；N0為有效輸出噪聲功率；G為電子元器件功率增益；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；?f為帶寬頻率。傳輸函數(shù)如公式（4）所示。

（4）

式中：Av（f）為電壓傳輸函數(shù)；u0（f）為元器件輸出端電壓值；ui（f）為元器件輸入端電壓值。

由此擬合噪聲參量，見表1[3]。

本文將電子元器件的輸出噪聲、等效輸入噪聲、噪聲系數(shù)和傳輸函數(shù)等參量提取出來，并擬合噪聲頻譜及時間信號，作為缺陷檢測的基礎(chǔ)信號，以保證低頻電噪聲缺陷檢測的準確性，其步驟如下。

使用頻譜分析儀或噪聲測量儀對電子元器件的輸出噪聲和等效輸入噪聲進行準確測量和分析。

根據(jù)測量得到的信號功率和噪聲功率，利用熱噪聲法計算電子元器件的噪聲系數(shù)。假設(shè)電子元器件的噪聲功率譜密度為Pn（f），信號功率為PS，那么噪聲系數(shù)Nf的計算過程如公式（5）所示。

（5）

使用信號源和示波器，通過輸入不同頻率的信號，測量對應(yīng)的輸出信號，計算電子元器件的傳輸函數(shù)，如公式（6）所示。

（6）

式中：f為輸入信號頻率；X（f）為輸入信號；Y（f）為輸出信號。該函數(shù)也可利用網(wǎng)絡(luò)分析儀等專業(yè)設(shè)備通過測量傳輸函數(shù)得到。

將測量或模擬得到的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過傅里葉變換法處理，得到噪聲的頻譜圖形。

利用頻譜分析方法，對擬合得到的噪聲頻譜和時間信號進行分析，以便于檢測和診斷低頻電噪聲缺陷。

綜上所述，提取電子元器件低頻電噪聲基本參量。

1.2 檢測電子元器件內(nèi)部散粒噪聲

在提取低頻電噪聲基本參量后，完成其內(nèi)部散粒噪聲檢測工作，以實現(xiàn)電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測。散粒噪聲是電子發(fā)射不均勻性引起的噪聲，是電子元器件低頻電噪聲缺陷的關(guān)鍵因素[4]。散粒噪聲檢測結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，將待檢測的電子元器件放在檢測樣本的位置上，利用低頻電噪聲放大器放大噪聲信號，提取噪聲缺陷信號的特征，從而滿足散粒噪聲檢測需求。散粒噪聲引發(fā)高直流偏置，直流電流流經(jīng)等效源電阻時，產(chǎn)生的電壓就是參考電壓[5]。為了使電子元器件的電路達到平衡，參考電壓設(shè)定如公式（7）所示。

Vb=RrIr" " " " " " " " " " " " " " "（7）

式中：Vb為電子元器件的參考電壓；Rr為等效源電阻；Ir為直流電流。當元器件僅存在熱噪聲時，等效電流噪聲如公式（8）所示。

（8）

式中：Id為等效電流噪聲；Vn為等效電壓噪聲；Tx、Tr為參考電阻所處溫度；Rd為熱噪聲；r為白噪聲。當Id＞Ir時，散粒噪聲成為器件的主要噪聲缺陷，功率譜密度與電流成正比，則功率譜密度如公式（9）所示。

（9）

式中：Id（Vn）為功率譜密度；κ為偏置函數(shù)；SI為白噪聲。通過對電子元器件電阻中導(dǎo)電不連續(xù)微粒的電流信號進行分析，并得到晶體管內(nèi)的熱噪聲、白噪聲特性，使電子元器件的噪聲缺陷檢測更全面，由此設(shè)計的噪聲缺陷檢測設(shè)計，實現(xiàn)電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測功能。

2 試驗分析

為了驗證本文設(shè)計的方法是否滿足電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測的精準性需求，對上述方法進行試驗。最終的試驗結(jié)果則以基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)、基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)，以及本文設(shè)計的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)進行對比的形式呈現(xiàn)。具體的試驗準備過程以及最終的試驗結(jié)果如下。

2.1 試驗過程

本次試驗以GaAs為襯底的808nm條形激光二極管，作為低頻電噪聲缺陷檢測的電子元器件。該元器件采用LP-MOCVD技術(shù)，在n+-GaAs襯底上生長。其外延層結(jié)構(gòu)見表2。

激光二極管的外延層包括帽層、p-限制層、上波導(dǎo)層、間隔層、量子阱、間隔層、下波導(dǎo)層、n-限制層、緩沖層以及襯底等結(jié)構(gòu)（見表2）。當激光二極管處于正常運行狀態(tài)時，該元器件的電噪聲時域波形如圖2所示。

如圖2所示，在0.02s～0.08s處，噪聲形態(tài)存在變化，此處為低頻噪聲缺陷的位置。本文將電流噪聲功率譜密度、電壓噪聲功率譜密度作為缺陷檢測指標。其中，電流噪聲功率譜密度超過5×10-9A2/Hz，電壓噪聲功率譜密度超過7×10-8V2/Hz，即可判定電子元器件存在低頻電噪聲缺陷。根據(jù)電流噪聲功率譜密度與電壓噪聲功率譜密度的實際值，判斷噪聲缺陷檢測的準確性，能夠有效地避免噪聲缺陷檢測的漏檢、錯檢問題。

2.2 試驗結(jié)果

在上述試驗條件下，二極管在注入條件下，電子從半導(dǎo)體注入金屬的電流，與電子從金屬注入半導(dǎo)體引起的電流，均為獨立隨機穿過結(jié)勢壘的載流子組成，屬于低頻電噪聲缺陷的散粒噪聲。將二極管的電流、電壓以及等效源阻抗進行分析，確定電壓噪聲功率譜密度與電流噪聲功率譜密度。并將基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)的檢測值、基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)的檢測值，以及本文設(shè)計的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)的檢測值進行對比。試驗結(jié)果見表3。

本次試驗等效輸入背景噪聲約為5.44×10-9V2/Hz，背景噪聲低于測試噪聲約一個數(shù)量級（見表3）。根據(jù)不同電流下正向電流電壓特性得到等效源阻抗，能夠滿足本次試驗需求。在其他條件一致的情況下，使用基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)，在4.70mA、21.70mA、30.11mA以及38.54mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度的實際值與檢測值之間存在±0.5×10-8V2/Hz的差異；電流噪聲功率譜密度的實際值與檢測值之間同樣存在±0.5×10-8V2/Hz的差異。由此可見，使用該方法后，噪聲缺陷檢測的誤差相對較大，影響電子元器件的正常運行。

使用基于小波包能量譜的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)，在12.60mA、46.99mA、55.45mA以及63.94mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度、電流噪聲功率譜密度的實際值與檢測值之間存在±0.1×10-8V2/Hz以內(nèi)的差異，檢測準確性與基于加密惡意流量的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)相比有所提升，但是檢測誤差仍然較大，亟需對其進一步優(yōu)化。而使用本文設(shè)計的電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)，在31.52mA、42.36mA、72.40mA以及80.87mA的電流環(huán)境下分析噪聲缺陷。電壓噪聲功率譜密度、電流噪聲功率譜密度的實際值與檢測值之間僅存在±0.01×10-8V2/Hz以內(nèi)的差異，大部分檢測值與實際值保持高度一致，可以滿足電子元器件低頻電噪聲缺陷的檢測需求，保障電子元器件安全使用。

3 結(jié)語

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件在各種設(shè)備和系統(tǒng)中起到了重要的作用。由于電子元件在制造、材料等方面的限制，經(jīng)常存在一些低頻電噪聲缺陷。這類缺陷不僅影響了電子設(shè)備的性能，還可能降低整個系統(tǒng)的可靠性。因此，本文對電子元器件低頻電噪聲缺陷檢測技術(shù)進行研究。首先，對對電子器件低頻噪聲進行放大，基于DMA雙緩沖技術(shù)完成噪聲數(shù)據(jù)的采集和存儲，其次，從噪聲參量提取、散粒噪聲檢測2個方面來分析電子元器件低頻電噪聲缺陷，實現(xiàn)電子元器件內(nèi)部缺陷檢測功能。試驗結(jié)果表明，采用該方法將頻率低于1MHz的電噪聲全部提取出來，檢測效果優(yōu)于對比方法，應(yīng)用效果較好，可為電子元器件的正常使用提供保障。

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