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

摘要

本发明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。

权利要求

1.一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法，其特征在于，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3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。

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方法，其特征在于，所述的步骤5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。

说明书

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

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[0002] 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。

发明内容

[0003] 有鉴于此，为解决上述问题，本发明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；

[0004] 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。

[0005] 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；

[0006] 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；

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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。

[0012] 本发明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：

[0013] 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；

[0014] 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；

[0015] 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；

[0016] 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”；

[0017] 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。

[0018] 进一步地，步骤5具体包括如下子步骤：

[0019] (1)、将小波函数ψ(t)取为Daubechies(dbN)小波，其中N为2，3，…，10；

[0020] (2)、计算尺度j＝1时，即小波函数ψ伸缩变换前的频域窗宽；

[0021] (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；

[0022] (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；

[0023] (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；

[0024] (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；

[0025] (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。

[0026] 以下对本发明方法做进一步说明，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。

[0027] 小波变换对1/f噪声的去相关作用：

[0028] 对于1/f噪声信号x(t)，其小波变换的定义为

[0029]

[0030] 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[0031]

[0032] 1/f噪声x(t)的功率谱密度可以表示为

[0033]

[0034] 其中A为一常数，表示谱常量，f为频率，γ为频率指数。

[0035] 根据帕萨瓦尔定理及维纳-辛钦定理可推出

[0036]

[0037] 其中Ψ(ω)为ψ(t)的傅里叶变换，*表示共轭，ω为角频率。

[0038] 当j＝j'时，

[0039] 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

[0040] Ψ(ω)＝ωNΨ0(ω),Ψ0(ω)≠0

[0041] 因此x(t)在尺度因子j的小波系数的相关函数为

[0042]

[0043] 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。

[0044] 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频域窗宽的考虑。

[0045] 2.考虑到频域窗口宽度影响的尺度-频率判断方法

[0046] 小波函数 其中a表示尺度，b表示位移，它的傅里叶变换为

[0047]

[0048] 设Ψ(ω)的频域窗口中心频率为ω0，窗口宽度为Δω，则经伸缩变换和平移之后ψa,b(ω)的窗口中心频率为 窗口宽度为

[0049] 以小波函数db3为例，它的时域波形和频率波形如图6所示，其频域窗口宽度等于2。考虑到信号的采样频率Fs＝4096HZ，可以计算得到各个尺度下小波函数频域窗口的中心频率，参见表1。

[0050] 表1：各尺度下小波函数db3所对应的频域窗口中心频率

[0051]

[0052] 计算得到各个尺度下小波函数频域窗口的宽度，如表2所示。

[0053] 表2：各尺度下小波函数db3所对应频域窗口宽度

[0054]

[0055] 与现有技术相比，本发明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。

附图说明

[0056] 图1是一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的装置的结构示意图；

[0057] 图中：屏蔽箱101、电磁波吸收材料102、偏置电路103、前置放大器104、数字示波器105、PC机106；

[0058] 图2是一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的装置的偏置电路结构示意图；

[0059] 图中：可插拔线绕电阻201、可插拔半导体器件202、线绕电位器203、采样电阻204、外接电流表205、采样输出点206、开关207；

[0060] 图3是原1/f噪声信号时域波形；

[0061] 图4是经过带通滤波具有明确上下限频率的1/f噪声波形；

[0062] 图5是原始1/f噪声信号的频域波形和经过带通滤波后的信号频域波形；

[0063] 图6是原始1/f噪声和带通滤波后噪声在各个尺度下的E-N曲线；

[0064] 图7a是小波函数db3的时域波形图；

[0065] 图7b是小波函数db3的频域窗口图；

[0066] 图8是检测滤波后噪声中1/f噪声下限频率的过程示意图；

[0067] 图9是检测滤波后噪声中1/f噪声上限频率的过程示意图。

具体实施方式

[0068] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例对本发明做进一步的详细描述。

[0069] 本发明提供的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，所述装置具有检测二极管、MOSFET、三极管等多种器件的1/f噪声功能，通过采用蓄电池供电，使得偏置电路具有较低的本底噪声；装置中的线绕电位器采用线绕电阻，自身几乎不存在1/f噪声；屏蔽箱内层采用电磁波吸收材料，可以有效吸附干扰噪声，外层采用双层金属屏蔽，屏蔽效果较好；通过直接使用数字示波器记录数据，提交给计算机处理，避免了使用低频频谱分析仪，从而使所测的数据更加精确；本文所述一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法，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。

[0070] 参见图1，图1为一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的装置的结构示意图，包含：屏蔽箱101、电磁波吸收材料102、偏置电路103、前置放大器104、数字示波器105、PC机106。

[0071] 如图1所示，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，可以大幅度提高屏蔽外界干扰噪声的能力，将所测半导体器件插入偏置电路103中，调节偏置电路103，将所测得的电压信号通过BNC输入到前置放大器104，前置放大器再将数据输出到数字示波器105，最后数字示波器将数据传输到PC机106，运用本发明中所述的一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的检测方法进行处理。

[0072] 参见图2，图2为一种用于半导体器件1/f噪声上下限频率的装置的偏置电路结构示意图，包含：可插拔线绕电阻201、可插拔半导体器件202、线绕电位器203、取样电阻204、外接电流表205、采样输出点206、开关207。

[0073] 可插拔半导体器件选用金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

[0074] 如图2所示，图中A、B为装置电源，可以是任意电压的直流电源，本装置采用1.5V的蓄电池供电。可插拔线绕电阻201为一线绕电阻，其作用是限制电流，保护电路。可插拔半导体器件202可以放置MOSFET、三极管、二极管等器件，本发明中采用MOSFET，其作用是放大偏置电路中的电流，可以根据插入检测不同的半导体器件，适当修改偏置电路。线绕电位器203共有三级放大，可以通过调节各级线绕电位器的值改变可插拔半导体器件202电流放大的程度。外接电流表205，通过观察电流表上显示电流的大小，即源漏极支路电流的大小，调节线绕电位器203，调节完成后，拔下电流表，接下开关207。采样输出点206获取源漏支路中取样电阻204两端的电压信号，连接到屏蔽箱101的BNC。

[0075] 本装置所述方法步骤如下：

[0076] 1.对实际测量获得的1/f噪声信号采样后存储，采样频率Fs＝4096HZ。其时域波形如图3所示。

[0077] 2.将上述1/f噪声通过带通滤波器，带通滤波器的参数为fL＝200HZ，fH＝1200HZ，获得的低频噪声信号中1/f噪声成分的下限频率为200Hz，上限频率为1200Hz，该噪声的其它频段不是1/f噪声，以此信号作为上下限频率确定的1/f噪声原始信号，其时域波形如图4所示。

[0078] 3.分别针对原1/f噪声和带通滤波后噪声计算尺度j＝1到j＝10条件下的相关函数值，取相关函数最大值为E。

[0079] 4.根据步骤3得到的E值，做出E-N曲线，如图6所示。图中蓝色曲线与红色曲线分别表示原1/f噪声和滤波后噪声的E-N曲线，从中可以观察到j＝2和j＝3时两曲线的趋势和数量级均十分接近，这表明尺度j＝2和j＝3时小波频域窗口所覆盖的信号频率范围是介于1/f噪声信号的上下限频率之间的，即此时的噪声信号是1/f噪声。一方面当j＝4及j＞4时，滤波后噪声的E-N曲线与原信号曲线偏差较大，不仅相差较大数量级，而且有“反常”情况出现，亦即E并不随着N的增大而减小，这表明j＝4所确定的频率为滤波后噪声信号中1/f噪声的下限频率(尺度越大，所对应频率越高)。另一方面，当j＝1时，滤波后的噪声的E-N曲线亦与j＝2时两曲线的接近程度有较大差别，这表明j＝1所对应的频率能够确定滤波后噪声信号中1/f噪声的上限频率。

[0080] 5.由于在E-N曲线的滤波前后对比中，N值较小处曲线的差别更为明显，因此选择N＝3时的小波函数作为研究的切入点。选取小波函数db3，其时域波形和频域窗口波形如图7所示，显然根据频域窗口波形可知其0dB窗口宽度为2，经计算可知各尺度的频域窗口的中心频率如表1所示，各尺度下频域窗口的宽度如表2所示。

[0081] 6.根据j＝4这个尺度的拐点判断滤波后噪声信号的1/f噪声的下限频率。考虑到j＝3时E-N曲线是正常的，而j＝4时曲线才开始出现反常，并考虑到这两个尺度下小波函数频域窗口的宽度影响，可以判断下限频率应介于180Hz和240Hz之间，而这一测量结果与实验设定中的fL＝200HZ，即噪声中1/f噪声的实际下限频率是十分接近的。判断过程的示意图如图8所示，其中横坐标表示频率，两窗口为j＝3和j＝4时的小波函数频域窗口的位置示意。根据j＝1这个尺度的拐点判断滤波后噪声信号的1/f噪声的上限频率。当j＝2时E-N曲线是正常的，但当频率增大到j＝1时，曲线开始出现反常，将这两个尺度下小波函数频域窗口的宽度考虑在内，能够检测到上限频率应介于615Hz和1230Hz之间。事实上实验设定的1/f噪声上限频率为fH＝1200HZ，检测的结果与实际情况是基本吻合的。示意图如图9所所示，其中横坐标表示频率，两窗口为j＝1和j＝2时的小波函数频域窗口的位置示意。

[0082] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。

[0083] 综上所述，本发明所涉及的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，基本依靠计算机软件即可完成，硬件开销小，检测方便快速，实现简单合理，且具有较好的准确性和可靠性，有较广泛的应用前景。