一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法及装置，装置包括：屏蔽箱，用于屏蔽外界噪声干扰；偏置电路，用于获得实验所需的时域波形；前置放大器，用于放大噪声信号；数字示波器，用于显示输入信号的时域波形；PC机，用于处理所输入的信号。本发明专利技术的装置具有较低的本底噪声、较高的屏蔽外界噪声干扰能力，装置中的线绕电位器自身几乎不存在1/f噪声，测得的数据更加精确。本发明专利技术的方法除了采用二进制小波变换外，还可以采用其他进制的小波变换，如采用连续小波变换，可以有效提高上下限频率检测的准确性；避免使用通过频谱分析仪，分析所得到的频谱特性曲线，拟合寻找上下限频率这一传统方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法及装置
本专利技术属于噪声频率检测领域，尤其是涉及一种基于1/f噪声小波变换去相关特性的在低频噪声中检测1/f噪声上下限频率的方法。
技术介绍
1/f噪声普遍存在于二极管、MOSFET、半导体激光器等各类电子器件的低频电噪声中，尽可能降低1/f噪声是器件设计与研究的努力方向之一。然而1/f噪声的强度、频率范围及相关参数同时可作为一种十分有效的手段用来检测器件的潜在缺陷，通过分析器件工作时的1/f噪声信号可以判断噪声的来源，从而获知潜在缺陷的位置和类型；另一方面，对1/f噪声的水平进行检测能够有效评估器件的可靠性，却不会对器件本身产生较大的损耗。在这样的背景下，从电子器件所产生的低频噪声信号中准确地检测出1/f噪声并确定其上下限频率的方法是必不可少的。现如今对半导体器件1/f噪声的研究，在噪声提取和噪声分析两个方面取得很大突破，但是依然存在存在许多不足之处，一方面对于不同器件的测试系统不同，同时测试系统的价格比较昂贵，因此对器件本身存在一定的限制；另一方面是对1/f噪声的具体产生机理依然不太明确。
技术实现思路
有鉴于此，为解决上述问题，本专利技术针对实际测量的低频电噪声信号提供了一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，包括屏蔽箱101、偏置电路103、前置放大器104、数字示波器105及PC机106；偏置电路103位于屏蔽箱101内部，偏置电路103通过BNC与屏蔽箱101外部的前置放大器104传输数据，数字示波器105与前置放大器104相连，PC机106与数字示波器105相连；所述偏置电路103，包括直流电源、可插拔线绕电阻201、可插拔半导体器件202、线绕电位器203、外接电流表205及采样输出点206；其中，直流电源包括直流电源A与直流电源B，直流电源A与直流电源B通过双刀双掷开关分别连接于可插拔半导体器件202源漏支路的漏极、线绕电位器203支路的可插拔线绕电阻201前端，可插拔线绕电阻201后端连接三级线绕电位器203，可插拔半导体器件202的栅极连接第一级线绕电位器203，可插拔半导体器件202的源极连接采样电阻204，采样电阻204两端引出采样输出点206，采样电阻204通过开关207接地，开关207两端可接电流表205。所述屏蔽箱101，外部采用双层金属屏蔽，内部采用电磁波吸收材料102，用于屏蔽外界干扰噪声；所述直流电源，采用蓄电池供电，用于为该偏置电路提供稳定输入电源；所述可插拔线绕电阻201，采用线绕电阻，用于限制偏置电路的电流大小，起到保护电路的作用；所述可插拔半导体器件202，可选用MOSFET、三极管或二极管，本装置中选用的是MOSFET，用于放大偏置电路中的电流；所述线绕电位器203，用于调节可插拔半导体器件源极输出电流的大小；所述外接电流表205，用于监测源漏支路中电流的大小，通过观测电流表的数值，从而调节线绕电位器203，改变可插拔半导体器件源极输出电流的大小，进而改变源漏支路中取样电阻两端的电压；所述采样输出点206，用于输出源漏支路中取样电阻两端的电压，输出到屏蔽箱，通过BNC输入到前置放大器，最后输出到数字示波器，提交数据给计算机处理。本专利技术针对实际测量的低频电噪声信号还提供了一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法，包括以下步骤：步骤1：对低频噪声信号x以固定采样频率采样后得到x(n)，n＝1，2，…，2M；其中，M为大于1的整数；步骤2：针对每一个系数矩阵，分别计算其各个分解尺度因子j下的小波系数的相关函数，取相关函数的最大值E，E表征消失矩为N的小波函数作用下的小波变换系数在尺度因子j下的相关性；步骤3：以消失矩N作为横坐标，相关性E作为纵坐标，分别做出各尺度因子j下的E-N曲线；步骤4：以E的数值随着N的增大而下降作为标准曲线，将步骤4所得各尺度下的E-N曲线与“标准曲线”对比，记录曲线开始出现“反常”的尺度数值j'和j”；步骤5：计算小波函数在尺度j'和j”所对应的实际频率f1和f2，即所测低频噪声信号中的1/f噪声的下限频率和上限频率。进一步地，步骤5具体包括如下子步骤：(1)、将小波函数ψ(t)取为Daubechies(dbN)小波，其中N为2，3，…，10；(2)、计算尺度j＝1时，即小波函数ψ伸缩变换前的频域窗宽；(3)、根据步骤(2)所得的频域窗宽，分别计算带通滤波器中心频率所对应的强度下降到四分之一时和中心频率所对应的强度下降到十分之一及以下时的频域窗口宽度；(4)、设当尺度j≥j'条件下的E-N曲线均出现反常，即不满足E随N增大而衰减的关系或与正常曲线有10倍及以上数量偏差时，计算小波函数在尺度(j'-1)和j'处的频域窗口中心频率，并根据步骤(3)所得带通滤波器中心频率所对应的强度下降到十分之一及以下时的频域窗口宽度计算小波函数在尺度(j'-1)和j'的频域窗口的边界频率；(5)、步骤(4)中计算所得两个窗口的下边界频率即限定了低频噪声中1/f噪声的下限频率所在的范围，下限频率应介于两个下边界频率之间；(6)、设当尺度j≤j”条件下的E-N曲线均出现反常，计算小波函数在尺度j”和(j”+1)处的频域窗口中心频率，并根据步骤(3)所得带通滤波器中心频率所对应的强度下降到四分之一时的频域窗口宽度计算小波函数在尺度j”和(j”+1)的频域窗口的边界频率；(7)、根据步骤(6)所得的两个频域窗口的下边界频率，能够确定低频噪声中的1/f噪声的上限频率介于两个下边界频率之间。以下对本专利技术方法做进一步说明，包括小波变换对1/f噪声的去相关作用原理和考虑到频域窗口宽度影响后根据尺度判断频率的方法。小波变换对1/f噪声的去相关作用：对于1/f噪声信号x(t)，其小波变换的定义为其中ψj,k(t)＝2-j/2ψ(2-jt-k)，ψ(t)为小波函数，j为尺度因子，k为平移因子，xj,k为x(t)的小波系数。尺度等于j的小波系数与尺度等于j'的小波系数的互相关函数为1/f噪声x(t)的功率谱密度可以表示为其中A为一常数，表示谱常量，f为频率，γ为频率指数。根据帕萨瓦尔定理及维纳-辛钦定理可推出其中Ψ(ω)为ψ(t)的傅里叶变换，*表示共轭，ω为角频率。当j＝j'时，具有N阶消失矩的小波函数ψ(t)的傅里叶变换Ψ(ω)可表示为Ψ(ω)＝ωNΨ0(ω),Ψ0(ω)≠0因此x(t)在尺度因子j的小波系数的相关函数为由上式可知，当尺度因子一定时，只要满足2N+1>γ的条件(该条件一般都可满足)，小波系数的相关性E将会随着小波函数的消失矩N的增大而减小，E-N曲线呈指数下降的趋势。由此，小波变换对1/f噪声具有显著的去相关作用；反过来看，E-N曲线的指数下降特征又可以作为判断噪声信号是1/f噪声的标准。因此，一旦实际测量噪声信号经过小波变换后在某一尺度所得E-N曲线不符合以上标准，出现“反常”现象，就表明该尺度所对应的频率范围的噪声信号不属于1/f噪声。然而小波函数在各个尺度下所对应的实际频率事实上是小波函数的频域窗口的中心频率值，并未考虑到小波函数频域窗口的宽度带来的影响，因此仅通过上述出现反常的单独尺度所对应频率来判断测量信号中的1/f噪声频率上下限是不够精确的，这就需要以下进一步对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，包括屏蔽箱(101)、偏置电路(103)、前置放大器(104)、数字示波器(105)及PC机(106)；偏置电路(103)位于屏蔽箱(101)内部，偏置电路(103)通过BNC与屏蔽箱(101)外部的前置放大器(104)传输数据，数字示波器(105)与前置放大器(104)相连，PC机(106)与数字示波器(105)相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，包括屏蔽箱(101)、偏置电路(103)、前置放大器(104)、数字示波器(105)及PC机(106)；偏置电路(103)位于屏蔽箱(101)内部，偏置电路(103)通过BNC与屏蔽箱(101)外部的前置放大器(104)传输数据，数字示波器(105)与前置放大器(104)相连，PC机(106)与数字示波器(105)相连。2.如权利要求1所述的一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，所述偏置电路(103)，包括直流电源、可插拔线绕电阻(201)、可插拔半导体器件(202)、线绕电位器(203)、外接电流表(205)及采样输出点(206)；其中，直流电源包括直流电源A与直流电源B，直流电源A与直流电源B通过双刀双掷开关分别连接于可插拔半导体器件(202)源漏支路的漏极、线绕电位器(203)支路的可插拔线绕电阻(201)前端，可插拔线绕电阻(201)后端连接三级线绕电位器(203)，可插拔半导体器件(202)的栅极连接第一级线绕电位器(203)，可插拔半导体器件(202)的源极连接采样电阻(204)，采样电阻(204)两端引出采样输出点(206)，采样电阻(204)通过开关(207)接地，开关(207)两端可接电流表(205)。3.如权利要求1所述的一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，所述屏蔽箱(101)，外部采用双层金属屏蔽，内部采用电磁波吸收材料(102)，用于屏蔽外界干扰噪声。4.如权利要求1所述的一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，所述可插拔线绕电阻(201)，采用线绕电阻，用于限制偏置电路的电流大小，起到保护电路的作用。5.如权利要求1所述的一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测装置，其特征在于，所述可插拔半导体器件(202)，可选用MOSFET、三极管或二极管；所述线绕电位器(203)，用于调节可插拔半导体器件源极输出电流的大小；所述外接电流表(205)，用于监测源漏支路中电流的大小，通过观测电流表的数值，从而调节线绕电位器(203)，改变可插拔半导体器件源极输出电流的大小，进而改变源漏支路中取样电阻两端的电压；所述采样输出点(206)，用于输出源漏支路中取样电阻两端的电压，输出到屏蔽箱，通过BNC输入到前置放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：郜峰利，周荣轩，郭树旭，牛忠国，齐文斌，王向超，
申请(专利权)人：吉林大学，白城福佳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22