СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР Российский патент 1994 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано, в частности, для контроля качества транзисторов и транзисторных структур на различных этапах технологического цикла с целью раннего выявления приборов (транзисторных структур) с повышенным значением коэффициента шума на рабочей частоте.

Известен способ определения коэффициента шума полевого транзистора на рабочей частоте путем измерения спектральной плотности шума на более низких частотах. Расчет коэффициента шума производят по результатам измерения шума и параметров эквивалентной схемы [1] .

Недостатком указанного способа являются необходимость измерения параметров эквивалентной схемы, что требует дополнительного оборудования и усложняет процесс контроля, а также недостаточная точность, поскольку не учитывается влияние на рассчитываемый коэффициент шума генерационно-рекомбинационных процессов и шумов типа 1/F.

Наиболее близким является способ определения коэффициента шума полевых транзисторов [2] , при котором снимают зависимости спектральной плотности низкочастотного шума тока стока от температуры на нескольких фиксированных частотах, по полученным температурным зависимостям получают зависимость, связывающую частоту измерения и температуру, соответствующую максимуму спектральной плотности низкочастотного шума тока стока, и определяют энергию активации и вероятность захвата, а затем, используя измеренный уровень шума в максимуме на известной частоте, производят расчет максимального уровня шума для заданной температуры и соответствующего ей значения частоты. На основании полученных данных строят спектральную характеристику шума, что позволяет определить коэффициент шума на любой из частот при заданной температуре.

Этот способ не обеспечивает достаточной точности, поскольку учитывается только генерационно-рекомбинационная компонента, проявляющаяся в области низких частот и экстраполируемая в область высоких, что не позволяет контролировать коэффициент шума транзисторов на рабочих частотах, лежащих в пределах СВЧ-диапазона. Другой источник искажений связан с тем, что при типовом включении транзистора в процессе измерения шумов не исключаются эффекты сильного электрического поля, вследствие которых изменяется вклад глубоких центров в уровень низкочастотного шума. Для более конкретного определения содержания глубоких центров требуются дополнительные расчеты с учетом конкретной геометрии транзисторов и данных о режиме работы.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона в сторону более высоких рабочих частот.

Цель достигается тем, что в способе определения коэффициента шума полевых транзисторов, включающем снятие температурных зависимостей спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на нескольких фиксированных частотах в низкочастотном диапазоне, определение с помощью полученных зависимостей зависимости частоты измерения спектральной плотности низкочастотного шума тока стока от температуры, соответствующей максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока, и определение по этой зависимости энергии активации и вероятности захвата, температурные зависимости спектральной плотности низкочастотного шума тока стока снимают в линейном режиме при нулевом напряжении затвора, по найденным значениям энергии активации и вероятности захвата определяют тип глубоких центров контролируемого транзистора, а коэффициент шума контролируемого транзистора определяют по значению максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на одной из фиксированных частот и корреляционной зависимости коэффициента шума на рабочей частоте от максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на той же фиксированной частоте и для того же типа глубоких центров, что и у контролируемого транзистора.

При этом корреляционную зависимость берут в виде линейной функции
Knш

= algS_imax+b, где К_ш - коэффициент шума на рабочей частоте;
S_imax - максимальная спектральная плотность низкочастотного шума тока стока для одной из частот;
n, a, b - константы для данного типа глубоких центров.

Благодаря тому, что указанные температурные зависимости снимают в линейном режиме и при нулевом значении напряжения затвора, устраняется влияние сильного электрического поля и повышается достоверность связи К_шс содержанием глубоких центров. Это обстоятельство в сочетании с найденной в процессе проведенных нами исследований корреляционной зависимости между коэффициентом шума на рабочей частоте и спектральной плотностью низкочастотного шума позволяет повысить точность и определить К_ш для более высоких значений рабочих частот.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ контроля; на фиг. 2 - полученные температурные зависимости шума тока стока для нескольких фиксированных частот; на фиг. 3 - зависимости частоты измерения от температуры, соответствующей максимальным значениям спектральной плотности низкочастотного шума тока стока τТ² = f(1/T), где τ = 1/2πF, Т - температура; на фиг. 4 - корреляционная зависимость коэффициента шума на рабочей частоте от максимальной спектральной плотности шума на низкой частоте для F = 300 Гц.

Максимум в температурных зависимостях шума тока стока возникает вследствие генерационно-рекомбинационной природы шумов, обусловленных захватом и освобождением носителей на глубоких центрах. Спектральная характеристика шумов имеет вид
S_i(F) = (1) где В - величина, пропорциональная содержанию глубоких центров.

С ростом температуры происходит уменьшение τ , а величина В сохраняет свое значение, вследствие чего на фиксированной частоте F уровень шума S_i(F) проходит через максимум при температуре Т. Для определения энергии активации и вероятности захвата строят зависимости lg( τ T²) = f(1/T), где постоянная τ определяется частотой измерения и равна 1/2π F. Энергия активации Δ Е_t и вероятность захвата С_t может быть определена, исходя из соотношений:
ΔE_t= K (2)
lg(τT²)= 0,4349 -20,15-lgC_t [м³c^-1] (3) где К - постоянная Больцмана.

Найденные значения Δ Е_t и С_t являются характеристиками глубокого центра, а уровень шума, соответствующий максимуму температурной зависимости, пропорционален содержанию глубоких центров. Наличие глубоких центров в активных областях приборов оказывает существенное влияние на выходные характеристики и параметры транзистора, в том числе и на коэффициент шума, величина которого также зависит от содержания глубоких центров. На основании корреляционого анализа значений коэффициентов шума транзисторов К_ш, измеренных на рабочей частоте, и спектральной плотности шума тока стока в максимуме S_imаx(F), пропорциональной содержанию глубоких центров, для центров одного типа с близкими Δ Е_t и С_t найдена связь К_ш и S_imax.

Исследуемый транзистор (транзисторную структуру) включают по схеме на фиг. 1. На этой схеме обозначены: 1 - резистор в цепи стока транзистора, 2 - аккумуляторная батарея, являющаяся источником питания, 3 - термокриостат типа У2-20, 4 - малошумящий предварительный усилитель, 5 - анализатор спектра, 6 - блок внешних устройств (цифропечатающее устройство, дисплей, графопостроитель), 7 - блок управления, 8 - управляющая ЭВМ типа "MERA-660", 9 - исследуемый транзистор (транзисторная структура).

С помощью этой схемы задают линейный режим работы транзистора 9. Схема размещена внутри термокриостата 3, обеспечивающего регулируемое изменение температуры в диапазоне 180-430К. Шумовое напряжение, выделяемое на резисторе 1, поступает на вход малошумящего усилителя 4, а затем на вход анализатора 5 спектра, обеспечивающего измерение спектральной плотности шума в диапазоне частот 20-100000 Гц. Результаты измерения поступают на блок 6 внешних устройств. Работа установки осуществляется в автоматическом режиме при помощи блока 7 управления, а программа работы задается ЭВМ 8. Согласно программе происходит установление температуры в термокриостате 3, после чего осуществляется измерение спектральной плотности шума на выбранных фиксированных частотах, затем устанавливается новое значение температуры и процесс измерения повторяется. Результаты представляются в виде графиков температурных зависимостей шума на фиксированных частотах.

Рассмотрим предложенный способ на примере контроля партии арсенидгаллиевых СВЧ-транзисторов.

Включив контролируемый транзистор по схеме на фиг. 1, задают линейный режим его работы (устанавливают ток 5 мА, напряжение 0,05-0,1 В) и нулевое напряжение затвора.

Снимают вышеописанным образом несколько температурных зависимостей спектральной плотности шума тока стока при разных фиксированных частотах в низкочастотном диапазоне (от 20 Гц до 100 кГц). Типичные температурные зависимости показаны на фиг. 2. На основании полученных зависимостей фиг. 2 находят зависимость частоты измерения от температуры, соответствующей максимумам, смещающимся в сторону увеличения температуры с увеличением частоты (см. штриховую линию на фиг. 2). Такая линеализованная зависимость в виде τТ² = f(1/Т) представлена на фиг. 3. По полученной зависимости (фиг. 3) определяют энергию активации глубоких центров ΔE_t и вероятность захвата С_t : Δ E_t = 0,52 эВ, С_t = 3˙10^-12 м³с^-1. В качестве частоты F_i выбирают, например, 300 Гц, так как максимум температурной зависимости на этой частоте проявляется достаточно четко, а влияние помех и наводок минимально. На этой частоте 300 Гц определяют величину S_imax по корреляционной зависимости между коэффициентом шума на рабочей частоте, например 14 гГц, и максимальной спектральной плотностью низкочастотного шума тока стока на частоте 300 Гц для данного типа глубоких центров, т. е. имеющих ΔЕ_t и C_t, близкие к найденным для контролируемого транзистора, определяют коэффициент шума этого транзистора на частоте 14 ГГц.

Корреляционные зависимости могут быть заранее введены в ЭВМ или иметься у оператора. В качестве примера рассмотрим случай, когда эту зависимость надо получить в процессе выполнения способа. В этом случае берут партию транзисторов. Для этой партии проводят все вышеуказанные операции до вычисления Δ E_t и C_t, отбирают те, у которых энергия активации и вероятность захвата лежат в узком диапазоне, близком к 0,52 эВ и 3˙10^-12 м³с^-1 (Δ E_t = 0,5-0,53 эВ; С_t = (1-5)˙10^-12 м³с^-1), и эту партию берут для получения корреляционной зависимости между коэффициентом шума на рабочей частоте 14 ГГц и максимумами спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на выбранной частоте 300 Гц (см. фиг. 4). На основании корреляционного анализа строят линеализованную корреляционную зависимость
K3ш

[∂Б] = 107(lgS_imax(300 Гц))+183 (5) (56) 1. Патент Великобритании N 2206214, кл. G 01 R 31/26, 1988.

2. Лементуева Н. В. , Хатунцев А. И. Прогнозирование шума полевых транзисторов в широких диапазонах частот и температур. Электронная техника, серия "Полупроводниковые приборы", 1988, N 2, с. 57-62.

Использование: контроль качества транзисторов и транзисторных структур на различных этапах технологического цикла путем прогнозирования шумовых параметров на рабочей частоте. Сущность изобретения: измеряют температурные зависимости шума на нескольких фиксированных низких частотах в линейном режиме при нулевом напряжении затвора и определяют максимумы на этих зависимостях. По полученным результатам находят зависимости частоты измерения от температуры, соответствующей максимумам, и устанавливают тип глубоких центров, приводящих к появлению низкочастотных шумов. Качество транзистора оценивают по величине коэффициента шума на рабочей частоте, который определяется по снятой предварительно для партии транзисторов корреляционной зависимости коэффициента шума от уровня низкочастотного шума в максимуме на одной из фиксированных частот для данного типа глубоких центров. 4 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР, включающий снятие температурных зависимостей спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на нескольких фиксированных частотах в низкочастотном диапазоне, определение с помощью полученных зависимостей зависимости частоты измерения спектральной плотности низкочастотного шума тока стока от температуры, соответствующей максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока, и определение по этой зависимости энергии активации и вероятности захвата, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона в сторону более высоких рабочих частот, температурные зависимости спектральной плотности низкочастотного шума тока стока снимают в линейном режиме при нулевом напряжении затвора, по найденным значениям энергии активации и вероятности захвата определяют тип глубоких центров контролируемого транзистора, а коэффициент шума контролируемого транзистора определяют по значению максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на одной из фиксированных частот и корреляционной зависимости коэффициента шума на рабочей частоте от максимальной спектральной плотности низкочастотного шума тока стока на той же фиксированной частоте и для того же типа глубоких центров, что и у контролируемого транзистора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корреляционную зависимость представляют в виде линейной функции K_шⁿ = a lg S_imax + b ,
где K_ш - коэффициент шума на рабочей частоте;
S_imax - максимальная спектральная плотность низкочастотного шума стока для одной из фиксированных частот;
n, a, b - константы для данного типа глубоких центров.