автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Способы и средства оценки качества электронных приборов по характеристикам низкочастотного шума

од

I СЕН

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ВОРОБЬЁВ МИХАИЛ ДМИТРИЕВИЧ

На правах рукописи

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА

Специальность

05.27.01 Твердотельная электроника, микроэлектроника.

05.27.02 Вакуумная и плазменная электроника.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва

1995

Работа выполнена в Ыосковском энергетическом институте (техническом университете)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор КОРНИЛОВ С.А. доктор технических наук, профессор КОРОТЧЕНКО В. А. доктор технических наук, профессор ШИШКОВ A.C.

Ведущая организация: Государственное научно-производственное

Защита состоится 20 октября 1995 г. в вуд. Г-408 в 15час.00 мин. на заседании диссертационного Совета Д.053.16.06 Московского энергетического института (105835 г.Москва, Красноказарменная ул., 14).

Отзывы (в двух экземплярах, ваверенных печатью) просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Учёный Совет МЭИ.

предприятие НИИПП (г.Томск)

Автореферат разослан 30 августа 1995г.

Учёный секретарь диссертационного Совета к.ф.-м.н., доцент

КАРЕТНИКОВ И.А.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Необходимость непрерывного улучшения качества активных электронных элементов, увеличения возможностей влияния на качество на различных этапах технологического цикла и улучшения параметров устройств, в которых применяются эти элементы, стимулируют поиски новых и расширение диапазона применения нетрадиционных принципов нераарушающего контроля качества и разработку на их основе способов, ориентированных на конкретные типы изделий. В основе одного из таких принципов лежит использование информации, содержащейся в характеристиках низкочастотных флуктуации токов и напряжений в цепях электронных элементов. В соответствии с известными физическими представлениями, флуктуации токов и напряжений в значительной степени отражают существование дефектов в контролируемых изделиях и могут рассматриваться поэтому как информативные параметры. В настоящее время известны и находят применения способы диагностики и прогнозирования надежности на основе измерения шумовых параметров для отдельных типов полупроводниковых активных элементов и полупроводниковых резисторов. В то же время расширение диапазона контролируемых изделий и увеличение эффективности контроля ограничивается рядом факторов, среди которых основную роль играет отсутствие общей концепции при разработке шумовых способов контроля, что обусловлено недостаточностью существующих модельных представлений о механизме возникновения шумов различных типов в низкочастотной области, их связи со свойствами структуры и средствах разделения при измерениях. Для электровакуумных электронных приборов с низкотемпературными эффективными катодами, составляющих заметную и неотъемлемую часть современной элементной базы, дополнительным к указанным выше факторам является отсутствие или недостаточность модельных представлений о влиянии на уровень низкочастотных шумов условий токоотбора с поверхности катода. Для всех типов электронных приборов широкое применение способов контроля на основе измерения низкочастотных шумовых параметров сдер-

живается также отсутствием доступного оборудования с необходимым уровнем автоматизации для массовых намерений и легко адаптируемым к условиям производства.

В настоящей работе развита концепция разработки и совершенствования шумовых способов оценки качества активных электронных элементов, основанная на представлениях о поверхности, границах раздела различных сред и периферийных областях структуры, как местах преимущественной локализации информативных источников шума для арсенидгаллиевых полупроводниковых СВЧ-приборов и структур, а также для электровакуумных приборов с оксидным катодом. На базе этой концепции разработаны модели фликкерной и генерационно-ре-комбинационной компонент поверхностно-барьерного шума, а для электровакуумных приборов, кроме того, разработана модель, учитывающая условия отбора тока с поверхности катода в рабочих режимах. С помощью указанных моделей, а также путем физического и статистического моделирования найдены новые эффективные способы, позволяющие прогнозировать выходные параметры изделий посредством измерения их низкочастотных шумов в специально подобранных условиях на ранних стадиях технологического цикла, а также значительно улучшить параметры устройств посредством рациональной разбраковки используемых в них активных элементов. Для ряда электронных приборов найдены не имеющие в настоящее время аналогов способы прогнозирования деградации параметров в процессе длительной работы. Рааработан комплекс аппаратуры, позволяющий испольэовать шумовые способы контроля в условиях массового производства с высоким уровнем автоматизации.

Цель работы:

Разработка способов и средств контроля качества электронных приборов на основе моделирования информативных компонент низкочастотного шума при локализации основных источников их возникновения в периферийных областях структуры вблизи поверхности и на границе раздела различных сред.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Раздельное моделирование основных компонент низкочастотного шума, оптимизация условий намерения шума в температурно-частотном диапазоне и структуры алгоритма обобщенного контролирующего шумового параметра являются эффективным средством разработки шумовых

- Б -

способов контроля качества электронных приборов.

- Измерение, анализ и компьютерное моделирование кривых температурного шумового сканирования представляют эффективный инструмент экспериментального изучения генерационно-рекомбинационных компонент низкочастотного шума полупроводниковых структур, эффективный вариант шумовой спектроскопии и поиска шумовых способов контроля качества полупроводниковых приборов и структур.

- Изучение, анализ и компьютерное моделирование кривых токового шумового зондирования представляют новый эффективный инструмент диагностирования катодов в электровакуумных приборах и средство поиска способов оценки качества электровакуумных приборов.

- Общая для арсенидгаплиевых активных СБЧ- элементов и структур, а также для полупроводниковых термокатодов модель фликкерной компоненты низкочастотного шума связывает его уровень с размерами активной области, электрофизическими характеристиками, температурным и токовым режимами и местами локализации преимущественно на периферии активной области, вблизи поверхности и на границах раздела рааличных сред.

- Уровень фликкерной компоненты низкочастотных шумов отбираемого катодного тока в электровакуумных приборах с термокатодом в широком диапазоне температурного и токового режимов определяется демпфирующим влиянием прикатодного пространственного заряда, рассчитываемым с учётом исходного характера флуктуации работы выхода.

- Группа шумовых способов контроля качества, разработанных при реализации приоритетных направлений поиска и с использованием предложенных средств, обладает высокой эффективностью и не имеет аналогов среди традиционно применяемых.

Научная новизна.

- Установлена значительная роль генерационно-рекомбинационных компонент низкочастотного шума полупроводниковых приборов как информативных шумовых параметров при разработке не имеющих аналогов способов контроля качества.

- Предложен и разработан метод компьютерного моделирования кривых температурного шумового сканирования, являющийся средством для раздельного изучения компонент низкочастотного шума, шумовой спектроскопии и поиска эффективных способов контроля качества электронных приборов.

- Предложено токовое шумовое зондирование и компьютерное моделирование как новый метод диагностирования катодов, представляющий основу для поиска эффективных способов контроля качества электровакуумных приборов.

- Разработана и экспериментально подтверждена поверхностно-барьерная модель фликкерной компоненты низкочастотного шума для арсенидгалливых активных СВЧ-элементов и полупроводниковых термокатодов, устанавливающая связь абсолютного уровня шума с размерами активной области, электрофизическими характеристиками, токовым и температурным режимами.

- Предложена и экспериментально подтверждена теория демпфирования шумов катодного тока в электровакуумных приборах с термокатодом, представляющая количественную основу для расчета абсолютного уровня шумов при различных температурах и токовых нагрузках катода.

Практическая ценность.

1. Определены перспективные направления поиска эффективных способов контроля качества электронных приборов по характеристикам низкочастотного шума.

2. Найдены средства для осуществления такого контроля - рабочие модели основных компонент низкочастотного шума, компьютерное моделирование кривых шумового температурного сканирования и токового шумового зондирования, оптимизация структуры алгоритма контролирующего обобщенного шумового параметра и оптимизация условий измерения НЧ-шумов в температурно-частотном диапазоне.

3. Создан комплекс многовариантной и многофункциональной аппаратуры для реализации способов контроля с различным уровнем автоматизации, включая системы для проведения выборочного и массового контроля в производственных условиях.

Реализация результатов.

Результаты работы внедрены на предприятиях по разработке и изготовлению активных электронных элементов и устройств на их основе в виде способов формирования заказных групп изделий с улучшенными качественными показателями (НИИПП г.Томск, НПО "Исток", завод "ЗЗЛТА"), методики использования шумовых параметров при оптимизации технологических процессов (НИИПП) и снижении эмиссионных браков ("ЗЭЛТА"), для повышения надежности устройств (НПО "Ис-

ток"), а также аппаратуры для контроля шумовых параметров (НИИПП, "ЗЭЛТА").Предложенные способы расчёта шумовых характеристик электровакуумных приборов использованы при разработке приборов и устройств для измерения малых перемещений на предприятии ОКБ МЭЛЗ.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на 25 научных конференциях и симпозиумах:

Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике (1973, 1976, 1984, 1994); Всесоюзная конференция "Флуктуационные явления в физических системах" (1982, 1985, 1988, 1991); Всесоюзная конференция "Физические основы надежности и деградации электронных приборов" (1982); Научно-техническая конференция по интегральной электронике СВЧ (19В2, 1988); Всесоюзная конференция по электронике СВЧ (1979, 1983, 1986); Всесоюзная конференция по твердотельной электронике СВЧ (1990); Республиканская научно-техническая конференция "Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств". Рига. 1989 г.; Всесоюзное совещание по исследованию арсенида галлия (1987); Всесоюзное совещание "Физика отказов" (1984); Научно-технический семинар Московского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (1987, 1990, 1992, 1993, 1994); Всесоюзный семинар "Злектрофлуктуационная диагностика материалов и изделий микроэлектроники", Казань (1983); Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог (1994).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 26 печатных трудах и 4 авторских свидетельствах на изобретение. Общее количество печатных трудов по теме диссертации - 52.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографии и приложения. Изложена на 295 страницах машинописного текста, содержит 188 рисунков и 288 ссылок на литературные источники.

- 8 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Низкочастотные шумы в электронных приборах, отражая с высокой чувствительностью многие физические процессы, являются основой для способов неразрушающего контроля качества, отличающихся от традиционно используемых высоким информативным потенциалом. Эффективность усилий, направляемых на разработку таких способов, в большинстве случаев оказывается невысокой из-за отсутствия системного подхода. В настоящей работе предлагается стратегия поиска эффективных способов контроля, в основе которой лежит раздельное моделирование основных компонент низкочастотного шума электронных приборов - фликкерной (со спектральной характеристикой 1/Т) и гене рационно-рекомбинационной, а также создание в процессе осуществления контроля и обработки результатов оптимальных условий для разделения шумовых компонент с наибольшей достоверностью. Эффективность указанной системы подтверждена путем разработки способов контроля для двух широких классов электронных приборов - полупроводниковых и электровакуумных. Первый представлен в настоящей работе группой широко испольвуемых в СВЧ-электронике активных элементов на основе БаАэ: диодов Ганна, диодов Шотки и транзисторов Шотки. Второй класс представлен электровакуумными приборами, содержащими наиболее распространенный в вакуумной электронике полупроводниковый катод - оксидный и его модификации.

Глава I. Моделирование фликкер-шума в полупроводниковых приборах на арсениде галлия.

Приводятся результаты экспериментальных исследований фликкерной компоненты низкочастотного токового шума (НЧ-шума), направленные на научение зависимостей уровня шума от размеров полупроводниковой структуры, степени легирования активного слоя, температурного и токового режима. На основе единых представлений о механизме возникновения фликкер-шума и области его преимущественной локализации Для всей группы рассматриваемых полупроводниковых приборов разработаны модели, удовлетворительно описывающие совокупность найденных экспериментальных связей.

Эффективность моделирования и универсальность получаемых при

этом результатов определяются выбором объектов, каждый из которых представляет как самостоятельный активный элемент, так и составную часть активного элемента с более сложной структурой. С учетом того, что моделирование проводится при условиях, обеспечивающих минимальное воздействие на структуру и существенно отличающихся от типовых рабочих малыми токами и напряжениями, для группы полупроводниковых СВЧ-элементов на арсениде галлия были выбраны две базовые структуры - диодные структуры Ганна и Шотки.

Модель поверхностно-барьерного шума диода Ганна. Объектом моделирования были диоды и диодные структуры, отличающиеся геометрическими размерами, известными электрофизическими характеристиками, паспортными значениями генерируемой частоты и мощности, предприятиями-изготовителями, а также структуры, размещенные как на общей пластине .так и непосредственно после разделения на отдельные элементы. Комплекс экспериментальных исследований, выполненных для этих объектов с целью построения модели, проводился при условиях, исключающих влияние эффектов сильного электрического поля и предусматривающих наблюдение компоненты НЧ-шума со спектральной характеристикой типа 1/Р (диапазон частот составлял 20+10® Гц).

Наиболее существенным результатом экспериментов является впервые установленная для структур такого типа совокупность зависимостей спектральных плотностей тока З^СП и напряжения БцСР) от диаметра структуры Б, концентрации свободных носителей в активном слое п0 и длины активного слоя 1.

Найденные закономерности составили основу для построения новой модели, отличающейся от известных сочетанием двух принципиальных особенностей:

- источник флуктуаций сосредоточен в периферийной части структуры по ее периметру;

- токовые шумы возникают в результате модуляции проходящего тока за счет флуктуаций ширины приповерхностной области объемного заряда вследствие флуктуаций заряда поверхностных состояний (ПС).

Расчеты, проведенные с учетом найденных экспериментальных связей и особенностей модели, сводятся к результирующему, соотношению

с

где - численный коэффициент, определяемый характерными

для ОаАэ электрофизическими параметрами;

I - постоянный ток, протекающий черев структуру.

На базе описанной модели разработаны ее варианты, в которых приняты во внимание дислокационные нарушения, возникающие при значительных термомеханических воздействиях на структуру. Флик-кер-шум связан с непроводящими участками круглой или прямоугольной формы в структуре и модулирующим влиянием ПС на границе непроводящих участков и проводящего слоя. Рассчитана связь уровня шумов с соотношением сопротивлений структур при наличии и отсутствии дислокационных нарушений (1?/Р?о), впервые дающая удовлетворительное объяснение широкому разбросу по уровню шума при малом разбросе по В и определяющая перспективы использования шумов типа \/? для оценки качества структур.

Модель поверхностно-барьерного шума диода Шотки. Объектом моделирования были как диодные структуры, сформированные на общей пластине, так и диоды промышленного изготовления. При проведении комплекса экспериментальных исследований шумовых характеристик указанных объектов режим измерения по постоянному току соответствовал логарифмическому участку ВАХ; диапазон частот выбирался из условия наилучшего наблюдения фликкерной компоненты НЧ-шума (20-105 Гц).

Установлена зависимость уровня фликкер-шума от диаметра Б вида 3, (Г) -^О-3, носящая общий характер для всех рассмотренных объектов.

Разработана модель, в которой использована совокупность отличительных признаков, принятых для модели диодов Ганна. Рассчитаны спектральные плотности флуктуации тока для структуры с однородным контактом и для реальной структуры, содержащей периферийную область по периметру контакта, существенно отличающуюся по свойствам от центральной области. Для структуры с неоднородным контактом получена зависимость вида

, 1

31(Р>=—.(2)

где Ар3 - величина, зависящая от ширины периферийной области структуры, соотношения плотностей токов через периферийную и центральную области и электрофизических параметров полупроводника,

Разработанная модель описывает характер изменения уровня шума при изменении токового и температурного режимов; модификация модели путем введения дополнительных параметров позволяет описывать деформацию зависимости 31(П от 0 при увеличении толщины барьерообразующего металла.

Модель поверхностно-барьерного шума полевых транзистора Шот-ки. Транзистор Шотки рассматривается как сложная структура, содержащая несколько возможных областей преимущественной локализации поверхностно-барьерного иума. Шумовой вклад каждой в шумы тока стока оценивается на основании рассмотренных выше результатов моделирования для бааовых полупроводниковых структур.

Объектом моделирования служили транзисторные структуры непосредственно на пластине или помещенные в корпус. Основной объем измерений при проведении комплекса экспериментальных исследований шумовых характеристик выполнялся при нулевом напряжении затвора и малом напряжении стока, что обеспечивало работу транзистора в омическом режиме.

На основании серии специальных исследований при положительных напряжениях затвора установлен преимущественный вклад в шум периферийных областей структуры за пределами затвора. В результате для транзистора предложена модель фликкер-шума, близкая к рассмотренной выше модели диода Ганна и дающая следующий алгоритм расчета спектральной плотности флуктуации тока стока :

т

«ги- Ар ( Ьп\312 1

~77Г~ »Т") 1 "р • О)

1»0 ь чг ^а 1

где Арт - коэффициент, определяемый электрофизическими характеристиками полупроводникового материала;

Ь - глубина необедненной части канала;

м - ширина структуры;

Ь0 - общая длина канала;

Ьп - длина периферийной части канала (за пределами затвора).

Выводы по главе.

- Предложены и экспериментально подтверждены представления, согласно которым основные источники шума типа 1/Г локализованы в периферийных областях полупроводниковых структур различных типов.

- Применительно к группе активных элементов на ОаАз предложены

рабочие модели, базирующиеся на поверхностно-бартерном механизме возникновения шума в различных частях структуры. - Получены алгоритмы для расчета уровня шумов типа 1/Т в различных активных элементах при минимальных токовых нагрузках, то есть в условиях минимального воздействия на структуру при неразрушаю-шем контроле качества.

Глава II. Моделирование генерационно-рекомбинационного шума в полупроводниковых приборах.

Разработана, программно реализована и подвергнута экспериментальной проверке процедура моделирования генерационно-рекомби-национного (ГР) щума в полупроводниковых приборах . Предложен новый метод моделирования, обладающий более высокой эффективностью с точки зрения возникающих погрешностей, затрат машинного времени и возможностей автоматизации.

Двухзтапная схема моделирования. Конечной целью моделирования является нахождение параметров ловушек в полупроводниковой структуре, ответственных за возникновение ГР-шума (шумовая спектроскопия), промежуточным этапом - выделение в НЧ-шуме компонент (ло-ренцианов), создаваемых ловушками различных типов.

Разработана, программно реализована и проанализирована процедура шумовой спектроскопии, состоящая ив двух этапов. На первом происходит моделирование спектральной характеристики, содержащей п лоренцианов и фликкерную компоненту, распознавание лоренцианов и нахождение их параметров % и Вю

А . у Вк

¿1 1 + <2*Ргк)"

Моделирование повторяется при различных температурах, определяются температурные зависимости тк(Т), Вк(Т), и на втором этапе производится моделирование этих зависимостей. Результатом являются значения энергии активации ДЕь концентрации ^ и эффективного сечения б ловушек.

Одноэтапная схема моделирования. В отличие от известных методов предложено осуществлять шумовую спектроскопию посредством моделирования кривых шумового температурного сканирования (КТО) -зависимостей уровня шума от температуры при нескольких фиксированных частотах.

Щ' + 2. ГГ7ГТ-х2 . (4)

Наличие максимумов в таких кривых, смещающихся в сторону более высоких температур при повышении частоты, указывает на существование ловушек, а по форме и амплитуде максимумов, а также по степени их смещения можно судить о параметрах ловушек.

Моделированию КТО предшествует предварительная оценка параметров AEt и б при помощи соотношения, связывающего постоянную времени t - l/2nF для частоты измерения F и температуру, соответствующую максимуму КТО:

ч ÄEt

Ig ( г Т ) = 0,434 -j^ _ 24,3 - lsол . (5)

Экспериментальные исследования КТС для диодов Ганна и транзисторов Шотки приводят к значениям ÜEt, лежащим в диапазоне 0,35 -0,9 эВ, что указывает на связь ГР-шумов в структурах такого типа с приповерхностным потенциальным барьером.

На основе представлений о локализации источника ГР-шума в приповерхностной области структуры разработаны алгоритмы расчета ГР-шума, связывающие его уровень с основными размерами структуры, электрофизическими параметрами, токовыми и температурным режимами работы: V?

1 1 1 0J 11 +2XFT(I)1

-KJ^l'i—--г) -<6>

2 SSO V [ 1 + 2jcFr(r))'»щхс

где Ki и Кг - величины, зависящие от размеров и степени легирования структуры;

В(х) и t(x) - координатные зависимости величин, определяющих ГР-процессы в области объемного заряда (0CG);

Nssorp - поверхностная плотность ловушек, приводящих к появлению ГР-шумов;

W - ширина приповерхностной 00В.

Определены условия, при которых замена численного интегрирования в процессе моделирования согласно (6) не связана с большими погрешностями, что позволяет существенно снизить затраты машинного времени.

Разработана процедура моделирования, содержащая несколько стадий:

1) поиск температурных диапазонов, содержащих максимумы на КТО;

2) предварительную оценку AEt и б;

3) формирование группы параметров для моделирования КТО;

4) уточнение параметров путем минимизации суммы квадратов относительных отклонений рассчитываемых по (6) и экспериментальных значений одновременно для всех используемых частот с учетом расчетных значений фликкерной компоненты;

Б) расчет параметров ловушек по известным размерам структуры и степени легирования активного слоя. В целях снижения погрешности моделирования при фиксированном температурном диапазоне в окрестности максимума производится искусственное введение дополнительных ГР-компонент с параметрами, отличными от главной компоненты.

Процедура моделирования реализована в виде программы для персональных компьютеров IBM PC и предусматривает в зависимости от сложности КТС работу в автоматическом или полуавтоматическом режиме, введение дополнительных элементов моделирования для поддержания погрешностей на заданном уровне, контроль за отдельными стадиями моделирования в процессе их выполнения. Время, необходимое для моделирования при использовании IBM PC 286, составляет 3-20 мин.

Получено экспериментальное подтверждение эффективности моделирования для диодов Ганна промышленного производства и транзисторов Шотки.

Разработанная программа представляет универсальный инструмент изучения ГР-процессов в полупроводниковых структурах и преимущественно используется при поиске эффективных способов контроля качества.

Выводы по главе.

1. Выявлены и проанализированы недостатки общепринятой схемы шумовой спектроскопии, связанные с неэффективностью из-за значительных погрешностей и больших затрат машинного времени.

2. Предложена, разработана и экспериментально подтверждена модель ГР-шума в полупроводниковых структурах, связанная с приповерхностным потенциальным барьером.

3. Впервые разработана процедура и универсальная программа моделирования ГР-шумов и шумовой спектроскопии, основанная на компьютерном моделировании кривых температурного шумового сканирования с использованием модели поверхностно-барьерного ГР-шума.

Глава Ш. Моделирование низкочастотных шумов эффективных низкотемпературных катодов.

Разработаны поверхностно-диффузионная и поверхностно-барьерная модели фликкер-шума эмиссионного тока оксидного термокатода. Предложена теория демпфирования фликкер-шума прикагодным пространственным зарядом, в отличие от известных основанная на представлениях об исходном характере флуктуации работы выхода катода и учитывающая реакцию анода. Проведен комплекс экспериментальных исследований с низкотемпературными эффективными термокатодами различных модификаций, подтверждающий основные положения теории. С учетом демпфирующего влияния пространственного заряда и экспериментальных результатов определены режимные пределы применимости разработанных моделей шумов эмиссионного тока. Впервые предложена модель фликкер-шума для отбираемого с оксидного катода тока и разработаны алгоритмы, позволяющие рассчитывать абсолютный уровень шумов для систем с однородным и неоднородным по эмиттирующей поверхности токоотбором.

Теория демпфирования фликкер-шума пространственным зарядом. Моделирование фликкер-шумов низкотемпературных эффективных термокатодов, работающих в типичном для них режиме ограничения тока пространственным зарядом, неизбежно наталкивается на трудности, обусловленные неопределенностью при учете демпфирующего влияния прикатодного пространственного заряда. Впервые предложена теория, отличающаяся от известных представлений совокупностью следующих признаков:

- исходными при возникновении шума являются флуктуации работы выхода катода Дсрк;

- результирующие флуктуации отбираемого с катода тока в диоде Д1а возникают вследствие полностью коррелированных флуктуации тока эмиссии Л1Э и флуктуаций контактной разности потенциалов анод-катод (реакция анода).

Связь спектральной плотности флуктуации тока анода и тока эмиссии для режима пространственного заряда в плоском диоде с учетом указанных особенностей выражается соотношением

- 16 -

где G - проводимость диода; Тк - температура катода.

На основании известных закономерностей токолрохождения в плоском диоде коэффициент связи г2 рассчитан в широком диапазоне отбираемых катодных токов при различных значениях междуэлектродного расстояния d и Тк. Показано, что игнорирование реакции анода при расчетах г2 приводит к значительному его завышению. Получено приближенное соотношение для расчета г2 в условиях большого запаса по эмиссии ( при отношении плотностей тока эмиссии и отбираемого тока J3/Ja>10) :

5У2

2_ 0,7SS10-VÍk_\/W . (8)

т ~ j d2 VlOOO/ V\3J

Проведены экспериментальные исследования, направленные на подтверждение основных положений теории демпфирования в форме вытекающих из (8) связей уровня шума с величиной отбираемого тока

1а И d.

Для проведения экспериментов использовались оксидные катоды стандартного состава с толщиной слоя 20-60 мкм, их модификации с толщиной слоя 1 - 5 мкм, полученные методом плазменного напыления в атмосфере инертного газа, а также металлопористые алюминат-ные. Междуэлектродные расстояния d варьировались в диапазоне 0,1 - 1 мм, эмиттирующая плошдць катодов ?к - 0,03 - 0,76 см2, плотность катодного тока ]к - 0,5 - 500 мА/см2. Измерения НЧ-шумов проводились при условии явного преобладания над дробовой компонентой (F - 12 Гц) в режиме пространственного заряда с большим запасом по эмиссии.

Получены экспериментальные результаты, подтверждающие для всех использованных типов катодов характер связи уровня флик-кер-шума с 1а и d на основе теории демпфирования, а также позволяющие по характеру отдельных нерегулярностей в этих связях выявить наличие дефектов на эмиттирующей поверхности.

Поверхностно-диффузионная модель НЧ-шума тока эмиссии оксидного катода. Предложена модель, основанная на развитии представлений Макфарлана-Буржесса о контактных шумах в полупроводниковых структурах. Привод каждого активирующего атома за счет поверхностной диффузии в эмиттирующее пятно на поверхности катода создает импульсы эмиссионного тока , суперпозиция большого числа которых приводит к спектральной характеристике шума с заметно раз-

личащимися пологим (при малых Р) и частотозависимым (при больших Г) участками.

Показано, что при переходе к типичным для эксплуатации оксидных катодов рабочим температурам и режиму пространственного заряда поверхностно-диффузионная модель не дает количественных подтверждений для уровней шума, его зависимости от Тк и для формы спектральной характеристики, близкой к 1/Р,

Поверхностно-барьерная модель фликкер-шума оксидного катода. Предложена новая для оксидных катодов модель, базирующаяся на модельных разработках для базовой полупроводниковой структуры - диода Ганна (гл.I).Оксидный катод рассматривается как примесный полупроводник с поверхностными состояниями; разработаны алгоритмы расчёта 51э(П •

Получено экспериментальное подтверждение предложенной модели с учетом теории демпфирования. Совокупность (7),(8) и расчётных соотношений для 31ЭСГ) представляет алгоритм точного или приближенного расчета фликкер-шума при условиях эксплуатации оксидного катода, близких к типичным рабочим. Показано, что рассчитанные на основании термоэмиссионных параметров зависимости уровня шума от температурного и токового режимов согласуются с экспериментальными как по характеру, так и по абсолютному уровню шума.

Впервые для оксидного катода предложено универсальное соотношение, позволяющее оценивать уровень фликкер-шума для систем с известным первеансом 6Р. После экспериментальных уточнений параметров модели такое соотношение при Т-12 Гц и Тк-1050 К имеет вид

(6,1512,2) 10~20 . (9)

где ;)а выражено в мА/см2, а при переходе к другим значениям Р и Тк входящие в (9) постоянные, величины пересчитываются по (7), (8) и с учётом изменений 34э(П. Алгоритм (9) является также базой для оценки уровня фликкер-шума в системах с неоднородным отбором тока с эмиттирующей поверхности катода посредством ее разбиения на отдельные элементы и последующего суммирования шумов в каждом из них.

Выводы по главе.

1. Предложена, разработана и экспериментально подтверждена новая теория демпфирования фликкер-шума низкотемпературных эффективных

термокатодов прикатодным пространственным зарядом, позволяющая за счет всестороннего учета влияющих на демпфирование факторов устранить значительные расхождения с экспериментом и являющаяся основой для построения модели фликкер-шума отбираемого с оксидного катода тока.

2. Разработана поверхностно-диффузионная модель НЧ-шума оксидного катода, подтвержденная экспериментально для условий, допускающих эксплуатацию оксидного катода в режиме насыщения.

3. Впервые предложена новая модель фликкер-шума оксидного катода, основанная на его представлении как полупроводника с поверхностными состояниями и аналогичная поверхностно-барьерной модели диода Ганна.

4. Получено и экспериментально подтверждено универсальное соотношение для расчета фликкер-шума в системе с известным первеансом и заданной плотностью отбираемого катодного тока.

Глава IV. Прогнозирование параметров полупроводниковых

приборов и устройств по характеристикам низкочастотного шума.

Предложены новые направления поиска способов контроля качества полупроводниковых приборов и структур, основанные на раздельном моделировании фликкерной и ГР-компонент НЧ-шума, вычленении ГР-компоненты, и определении параметров структурных нарушений, приводящих к ее появлению. Перспективность этих направлений подтверждается путем разработки и реализации способов контроля качества диодов Ганна, транзисторов Шотки и при оптимизации технологических процессов изготовления полупроводниковых структур. Приведены результаты экспериментального исследогания связи токовых шумов диодов Ганна в допороговом режиме и шумов генераторных устройств с этими диодами в качестве активных элементов. Разработана физическая модель прямого "переноса" ГР-компоненты НЧ-шума диода Ганна на шумы частотной модуляции (ЧМ-шумы) генератора при малых отстройках от несущей и физико-статистическая модель связи НЧ-шумов диодов с ЧМ-шумами генератора, с помощью которой решается проблема сер^фикации диодов, изготавливаемых для малошумящих устройств. Предложен способ контроля качества полупроводниковых пластин с транзисторными структурами Шотки путем прогнозирования коэффициента шума на рабочей частоте. Посредством измерений

НЧ-шумов в специально подобранном частотно-температурном диапазоне найден оптимальный технологический режим при присоединении выводов к полупроводниковой структуре.

Экспериментальные исследования связи токовых НЧ-шумов диодов Ганна и ЧМ-шумов диодных генераторов. Проведена серия экспериментов, включающих изучение спектральных характеристик токовых и частотных щумов генераторов при отстройке от несущей на 20 - 105 Гц и диодов в допороговом режиме, изучение статистической связи уровня токовых и частотных шумов, а также степени коррелирован-ности флуктуации тока и частоты генераторов при различных температурах в диапазоне -50 - +150°С. Показано существование заметной статистической связи уровней ЧМ-шума генераторов и токовых шумов диодов, однако недостаточно высокие значения коэффициента корреляционной связи (г<0,6) не являются приемлемой основой для прогнозирования. В то же время в отдельных частотных диапазонах связь ЧМи токовых шумов генераторов характеризуется высокими г (г>0,8). Установлено, что коэффициент корреляции токовых и частотных флуктуации р зависит от частоты и имеет максимум в диапазоне Г -3-Ю3 + 3-Ю5 Гц, смещающийся по частотной шкале при изменении температуры синхронно с деформациями ГР типа в спектральных характеристиках шума.

Предложена модель, описывающая совокупность найденных закономерностей с помощью двух некоррелированных источников флуктуа-ций в диоде, один из которых не оказывает непосредственного влияния на флуктуации частоты и имеет спектральную характеристику фликкерного типа, а второй непосредственно связан с флуктуациями частоты и содержит, помимо фликкерной, ГР-компоненту.

Модель связи ГР-компоиенгы ЧМ-шумов диодного генератора и токовых щумов диода. Разработана модель прямого "переноса" ГР-ком-поненты токового шума диода на ЧМ-шумы генератора. Количественный характер связи флуктуации ГР-типа тока А1 и частоты № определяется коэффициентом кг:

! ДГ=1с,Д» (Ю)

Подтверждено согласование значений кг, найденных в диапазоне частот Р - 103 - 105 Гц двумя независимыми способами. Первый из них предусматривает расчет кг по результатам измерений спектральной плотности флуктуации тога 31 (Г) и частоты З^П, коэффициента

корреляции р(Г) и выделения ГР-компоненты токового шума по результатам моделирования (гд. II). Второй основан на расчете флуктуации емкости диодной структуры с учетом известных для нее импе-дансных характеристик.

Способы прогнозирования ЧМ-шумов диодных генераторов по уровню токовых шумов диодов в допороговом режиме. Предложен способ прогнозирования, основанный на физической модели переноса ГР-компоненты и дополненный результатами статистического моделирования. Прогнозируемый уровень ЧМ-шума определяется по уровню токовых шумов диодов, измеренных в допороговом режиме с учетом их теплового режима в генераторе, на основании соотношения

где К - коэффициент, уточняемый в результате статистического моделирования ;

У - величина, зависящая от параметров электродинамической системы генератора, импедансных характеристик диода и постоянного тока в структуре.

Достоверность способа подтверждена высокими значениями коэффициента корреляционной связи ЗЛР) и Э^П (г > 0,8), что позволило решить проблему сертификации диодов для малошумящих устройств на предприятии НИИПП по уровню создаваемых ими ЧМ-шумов путем установления максимально допустимого уровня токовых шумов диодов.

Разработан альтернативный вариант способа прогнозирования, базирующийся на оптимизации температурно-частотного диапазонз при измерениях НЧ-шумов с целью увеличения отношения уровней ГР- и фликкерной компонент НЧ-шума диода в допороговом режиме. Как следует из (4) при п-1

причем величина B/t в соответствии с теорией и результатами экспериментальных исследований при изменении Т проходит череа максимум. Найденные* экспериментально для однотипных диодов условия измерения НЧ-шума, соответствующие максимуму B/t, обеспечивают прогнозирование ЧМ-шумов с высокой надежностью. Коэффициент корреляционной связи Sf(10 кГц) и НЧ-шума, измеренного в допороговом

S^KYSjCF)

. (И)

в

А г

(12)

- 21 -

режиме при Г - 300 Гц, Т - 240 К, составляет более 0,85.

Установлена связь уровня ЧМ-шумов с энергией активации ловушек ДЕ^ определяемой в процессе проведения шумовой спектроскопии (гл. II), подтвержденная экспериментально и с помощью моделирования ГР-щумов. На основании такой связи предложен способ прогнозирования ЧМ-шумов по величине ДЕ^ позволяющий оценивать качество диодов, включая экземпляры, подвергшиеся различным дозам облучения от источников мошного ионизирующего излучения.

Способы контроля качества транзисторов Шотки. Проведена серия экспериментальных исследований связи коэффициента шума транзистора Кш с параметрами, определяемыми при проведении шумовой спектроскопии. Установлено, что связь носит комбинированный характер: Кш возрастает по мере увеличения содержания ловушек и уменьшения АЕь Для ловушек с близкими значениями ЛЕг разработана статистическая модель, связывающая Кш с уровнем НЧ-шумов на частоте Г при комнатной температуре (Т - 300 К). Значение ? выбирается по снятым кривым температурного шумового сканирования таким образом, чтобы обеспечить наибольший вклад шумов для ловушек с данными ДЕ(> Связь Кш с Б; имеет вид

а 1в (Р=300 Гц) + Ь , (13)

где п, а и Ь - коэффициенты, значения которых находятся в процессе статистического моделирования и зависят от ДЕг..

Предложен способ неразрушающего контроля качества транзисторов, реализуемый на основе модели (13) и предусматривающий в отличие от существующих применение более простых технических средств и возможность осуществления непосредственно на пластине с транзисторными структурами. Последнее определяет область наиболее эффективного применения способа - он использован на предприятии НПО "Исток" при сравнительной оценке качества полупроводниковых пластин в процессе изготовления транзисторов. Коэффициент корреляционной связи величин Кш и 31 составляет не менее 0,75.

Использование НЧ-шумов для оценки влияния технологических факторов при изготовлении диодных структур. Экспериментально исследовано влияние термомеханических воздействий, оказываемых на диодную структуру в процессе производства диодов, на НЧ-шумы. Показано, что наибольшее влияние существует при присоединении выводов и проявляется в возрастании уровня ГР-компоненты НЧ-шума. С целью

минимизации этого влияния исследовано воздействие вариации основных параметров ультразвуковой микросварки (температуры сварки Тс, амплитуды УЗ-напряжения, времени сварки и давления на сварочный инструмент) на НЧ-шумы, измеренные в оптимизированном температур-но-частотном диапазоне. Установлено, что из всех варьируемых параметров наибольшее влияние на уровень шумов оказывает Тс. Оптимальное значение Тс. при котором уровень НЧ-шумов минимален, соответствует наилучшим качественным показателям диодов, оцениваемым по наиболее высокому выходу годных. Использование НЧ-шумов при оптимизации режима присоединения выводов внедрено на предприятии ЮШПП при разработке технологии для отдельных групп заказных диодов.

Выводы по главе.

1. Предложены новые эффективные направления поиска способов контроля качества, основанные на раздельном моделировании фликкерной и ГР-компонент НЧ-шума базовых полупроводниковых структур.

2.Впервые разработаны способы контроля качества, базирующиеся на предложенной и экспериментально подтвержденной модели прямого переноса ГР-компоненты НЧ-шума активного элемента на ЧМ-шумы устройства.

3. Предложены способы контроля качества, основанные на разработанных статистических моделях связи контролируемого параметра с уровнем НЧ-шума, измеренным в оптимизированном температурно-час-тотном диапазоне.

4. Экспериментально подтверждена эффективность предложенного направления поиска способов контроля для оптимизации технологических режимов присоединения выводов к полупроводниковым структурам.

Глава V. Прогнозирование деградации параметров и отказов по характеристикам низкочастотного шума.

Осуществляется дальнейшая реализация новых направлений в развитии способов контроля качества применительно к одним из наиболее важных качественных показателей - параметрическим (деградационным) и внезапным отказам на примере диодных структур Ганна. Проведено экспериментальное изучение характера изменения основных компонент НЧ-шума в процессе наработки диодов в режиме форсированного старения. Оценены возможности использования фликкерной и ГР-компонент, параметры которых измерены в начале периода старе-

ния. Разработаны статистические модели связи оптимизированных в температурно-частотном диапазоне параметров ПЧ-шума и показателей деградации структур, на основе которых предложены эффективные способы прогнозирования степени деградации, не имеющие аналогов. Установлена возможность использования НЧ-шумов для эффективного прогнозирования внезапных отказов.

Прогнозирование деградации по уровню фликкерной компоненты НЧ-шума. В качестве основного показателя деградации диодов по истечении времени работы I использовано относительное изменение его низкополевого сопротивления

Н0<9-11 <0)

= Ч0(0) • (14)

величина которого тесно коррелирована с деградацией наиболее важных параметров (коэффициента полезного действия, максимальной генерируемой мощности и др.). Проведено экспериментальное изучение изменения фликкерной компоненты в процессе наработки в режиме форсированного старения (при повышенных электрической и тепловой нагрузках), связи уровня фликкерной компоненты в начале старения со временем нарастания Ио на определенную величину (временем условного отказа) К5К0) и степенью деградации по истечении фиксированного времени бЯо^). На основе модели фликкерной компоненты шума диодной структуры с дислокационными нарушениями (гл.I) установлен и экспериментально подтвержден немонотонный характер изменения уровня шума с течением времени, исключающий использование при прогнозировании представления о постепенном нарастании шума. Коэффициент корреляционной связи 31 (Р, 1-0) с 1(5Н0) и 51?0(Ь) не превышает 0,55, что не является приемлемой основой для разработки способов прогнозирования.

Прогнозирование деградации по уровню РР-компоненты НЧ-шума. В процессе экспериментального изучения ГР-компоненты установлен ее немонотонный характер изменения во время форсированного старения, а также отсутствие заметной корреляционной связи с фликкерной компонентой. В то же время найдена заметная связь параметров ГР-шума в начале старения со степенью деградации 5И0(и (г>0,7). Предложен не имеющий аналогов способ прогнозирования степени деградации, основанный на статистической модели, связывающей уровень НЧ-шума Э^Р) с б??о(1):

причем условия измерения (П соответствуют максимуму КТО для диодов данного типа, а значения коэффициентов а и Ь уточняются в процессе статистического моделирования. На основе предложенного способа установлен предельно допустимый уровень параметров НЧ-шу-ма для отдельных партий заказных диодов с высокой надежностью на предприятии НИИПП.

Прогнозирование деградации по шумовому отношению. Впервые разработан способ прогнозирования, основанный на экспериментально подтвержденной связи качественных показателей диода и ширины КТО в окрестности максимума. В роли прогнозирующего параметра используется ширина диапазона значений 6 для ловушек с близкими ДЕ^ определяемая в процессе проведения шумовой спектроскопии путем моделирования КТО группой нескольких компонент. В целях сокращения времени на проведение контроля диодов предложено использовать параметр П, отражающий ширину диапазона б:

П = ГС5Н(Б), 8(_(Р)) , (16)

где 3,-(П и 3) + (П - спектральные плотности токового шума, измеренные соответственно при двух различных температурах Т- и Т+.

Проведено экспериментальное изучение связи параметра П, измеренного при различных сочетаниях Т-, Тч и Р, с результатами испытаний диодов на наработку в форсированном режиме. На основании полученных результатов оптимизирована структура П, а также темпе-ратурно-частотный диапазон его измерения. Показано, что оптимальной структурой параметра, приводящей к максимальному коэффициенту корреляционной связи его с 51?(и, является шумовое отношение

5|_(Т=243 К, Р=100 + 300 ГЦ)

БН(Т>295 К, Р-100 + 300 Гц) . (17)

Параметр П'испольвовался в качестве контролирующего на основании модели, аналогичной (15), при подборе диодов с повышенной надежностью для диодных генераторов, входящих в состав серии разрабатываемых и изготавливаемых радиометрических модулей на предп-

риятии НПО "Исток".

Прогнозирование внезапных отказов. Ввиду неоднозначности причин внезапных (катастрофических) отказов диодов их прогнозирование обычно сопряжено с наибольшими затруднениями, однако и для этих видов отказов получено экспериментальное подтверждение целесообразности использования новых способов прогнозирования, разработанных в соответствии с приоритетными направлениями их поиска. Показано, что использование шумового отношения П является эффективным при прогнозировании внезапных отказов из-за короткого замыкания структуры для диодных генераторов в составе радиометрического модуля в процессе долговременных испытаний на наработку. Найдены параметры НЧ-шума, оптимизация условий измерения которых в температурно-частотном диапазоне позволяет отбраковывать диоды с низкими пробивными напряжениями и не способные выдержать большое число циклов включения и выключения напряжения питания. Выводы по главе.

1. Показано, что реализация предложенного приоритетного направления поиска способов контроля диодов является эффективной применительно к деградационным и внезапным отказам.

2. Проведено экспериментальное изучение изменения параметров основных компонент НЧ-шума в процессе длительного старения в форсированном режиме и установлено, что модель постепенного нарастания шума не может являться основой для разработки способов прогнозирования отказов.

3. Предложены, разработаны и экспериментально подтверждены не имеющие аналогов способы прогнозирования степени деградации параметров диодов по истечении определенного времени наработки.

4. Экспериментально подтверждена эффективность контроля параметров ГР-компоненты НЧ-шума для прогнозирования внезапных отказов диодов.

Глава VI. Оценка качества катодов электровакуумных приборов и прогнозирование их деградации по характеристикам низкочастотного шума.

Поиски способов контроля качества по НЧ-шумам, основанные на раздельном моделировании его компонент, приводят к эффективным результатам для электровакуумных приборов с термокатодами. На основе модели НЧ-шума отбираемого с катода тока (гл. III) предложен

и разработан новый способ неразрушающего контроля катода посредством его токового шумового вондирования, отличающийся от известных более высокой чувствительностью благодаря использованию фликкерной компоненты шума. Предложена модификация способа, позволяющая на основе моделирования в системе с неоднородным токоотбором использовать его для широкого класса электровакуумных приборов со сложным распределением электрического поля в прикатодной области. Проведен комплекс экспериментальных исследований шумовых характеристик катодного тока цветных кинескопов с последующими испытаниями на наработку, на базе которых впервые разработаны способы прогнозирования деградации тока луча при длительной работе. Найдены шумовые параметры, с помощью которых осуществляется эффективный контроль за работой оборудования и конструктивно-технологическими отклонениями, что способствует снижению эмиссионных браков и рекламационного возврата.

Токовое шумовое зондирование (ТШЗ) как способ контроля катодов в электровакуумных приборах. Предложен способ контроля запаса катодов по эмиссии, основанный на измерении уровня фликкерной компоненты НЧ-шума при нескольких значениях отбираемого тока (токовом шумовом зондировании). В отличие от известных способов он обладает большей чувствительностью благодаря большему демпфирующему влиянию прикатодного пространственного заряда на уровень фликкерной компоненты по сравнению с дробовой. Согласно результатам моделирования (гл. ГII), кривая ТШЗ следует закону Si(F)4an, где при большом запасе по эмиссии п-2, а при малом п>2. Коэффициент превышения КПр, вычисленный по результатам измерения фликкерной компоненты Бц и Sjg при двух токах Ii и 1г. используется как показатель качества катода:

; -• (18)

; ^ cw2

На основе (7) рассчитаны зависимости КПр от 1г и 1э, являющиеся базой для контроля катодов на их соответствие заданному минимальному запасу по эмиссии. Аналогичные расчеты, проведенные при сильно выраженном неоднородном токоотборе с катода для электронно-оптических систем кинескопов, предусматривают использование (9) при раздельном вычислении уровня шума для отдельных участков катода и последующем их суммировании.

Экспериментальные исследования кривых ТШЗ в цветных кинескопах. Одной ив наиболее серьезных проблем в массовом производстве цветных кинескопов являются эмиссионные браки и связанный с ними рекламационный возврат. С целью уточнения условий применения предложенного способа контроля катодов в готовом изделии проведены экспериментальные исследования шумовых характеристик отбираемого с катода тока и их изменения в процессе испытаний на наработку. Установлено наличие шумовых источников, дополнительных к шумам катодного тока, оценен их относительный вклад и исследованы способы учета и подавления. Наибольшую роль среди них играет шум неуправляемых насыщенных токов (ННТ) из-за неоднородности эмитти-рующей поверхности и напылений на электродах, вклад которых существенно снижается в начальный период работы кинескопа. Выявлены признаки, отличающие снятые до начала испытаний на наработку кривые TUB у кинескопов с относительно большой и малой степенью деградации тока луча.

Способ контроля качества по шумовому отношению. Способ основан на использовании в качестве критерия качества параметра Кпр (18), измеренного при фиксированных h и Ig, или величины, пропорциональной КПр (шумового отношения):

в = . (19)

Условием применения способа является максимальное подавление ННТ путем 50 - 100-часовой наработки кинескопов. Реализация способа включает проведение серии экспериментов, направленных на определение критического значения вкр, на основании которого изделия разделяются на группы с малой и большой деградацией тока луча. Увеличение достоверности оценок 0кР достигается использованием теории распознавания образов путем оптимизации ВкР для катодов различных прожекторов. С помощью найденных (Bkp)r,g.в прогнозируется попадание кинескопов в группы с деградацией тока луча, составляющей более или менее 15% после стендовых испытаний в типовом режиме в течение гарантийного срока службы. Максимальная вероятность ошибочных решений не превышает 15Z. Предложенный способ прогнозирования является основой для формирования заказанных партий изделий с повышенной надежностью на заводе "ЗсЛТА", реализуемых по повышенной цене.

Способ контроля по группе шумовых параметров. С целью сокращения

- га -

времени и снижения затрат на проведение контроля предложен способ, альтернативный предыдущему. Сущность его состоит в использовании вместо шумового отношения группы шумовых параметров, отражающих форму кривых ТШЗ непосредственно после завершения основного технологического цикла изготовления кинескопа бее дополнительной наработки. Алгоритм 8Гр, по которому производится разделение изделий на экземпляры с большей или меньшей потенциальной деградацией, включает как спектральные плотности шума 3,п, измеренные при различных отбираемых токах 1п, так и их отношения:

0rp° f^faA) • (20)

Структура алгоритма, как и критические значения входящих в него величин Sm, подвергнуты оптимизации с использованием теории рас-познования образов. Максимальная вероятность ошибочных решений при прогнозировании 15Х-деградации тока луча после гарантийной наработки не превышает 18%.

Эффективность предлагаемого способа подтверждена экспериментально на партиях кинескопов, для которых производилось ТШЗ с последующими стендовыми испытаниями, на наработку. Установлены признаки по шумовым параметрам для изделий с малой деградацией после наработки в течение времени, значительно превышающего гарантийный срок.

Температурное шумовое сканирование катодов. Показано, что минимальное напряжение накала UH мин. фиксируемое по началу резкого возрастания уровня фликкерной компоненты НЧ-шума катодного тока при уменьшении UH, является эффективным контролирующим параметром запаса катодов по эмиссии, идентичности свойств катодов в одном изделии, конструктивно-технологических отклонений и служит средс твом для нахождения изделий с явными признаками брака на выходном контроле.

Использование шумовых параметров для оценки стабильности технологических факторов в процессе производства. Высокая чувствительность фликкерной компоненты НЧ-шума к технологическим отклонениям позволила оперативно выявлять и устранять такие отклонения. Установлено даменение шумовых параметров, не коррелированное с результатами традиционно используемых способов контроля качества и обусловленное наличием дефектных откачных позиций, ведущих к росту эмиссионных браков. Определен характер колебаний шумовых

параметров изделий, изготавливаемых в различные периоды времени, что представляет основу для прогнозирования уровня рекламационного возврата.

Совокупность мероприятий, проведенных на основе результатов ТШЗ и температурного шумового сканирования катодов, позволила на предприятии "ЗЭЛТА" снизить уровень эмиссионного брака.

Выводы по главе.

1. Впервые предложен и разработан эффективный способ контроля катодов в электровакуумных приборах на основе токового шумового зондирования, не связанный с созданием экстремальных для катода режимов и отличающийся от известных повышенной чувствительностью.

2. Предложены, разработаны и экспериментально подтверждены не имеющие аналогов способы прогновирования деградации тока луча цветных кинескопов по истечении гарантийного срока наработки, позволяющие формировать группы изделий с повышенной надежностью.

3. Найдены группы шумовых параметров, использование которых позволяет контролировать стабильность конструктивно-технологических факторов в процессе производства и снизить уровень эмиссионных браков.

Глава VII. Аппаратура для токового и температурного шумового зондирования электронных приборов.

Создан комплекс аппаратуры для проведения измерения токовых ИЧ-шумов электронных приборов различных классов в диапазоне частот 20 - 105 Гц с чувствительностью, обеспечивающей разработку и применение способов контроля качества полупроводниковых и электровакуумных приборов по НЧ-шумам. Блочно-модульная структура позволяет сократить до минимума число вновь разрабатываемых и изготавливаемых устройств и максимально использовать устройства промышленного изготовления. Рассмотрены способы включения электронных приборов при измерениях шумов, проанализированы основные погрешности и пути их снижения. Разработан анализатор спектра, управляемый ЭВМ и являющийся основой для реализации систем различной архитектуры в зависимости от задач при измерениях. Спроектированы и реализованы системы автоматизированного шумового сканирования полупроводниковых приборов, система для автоматизированного токового шумового зондирования и универсальная система на

- 30 -

базе персональных компьютеров.

Общая структура измерительной системы. Общей для различных вариантов измерительных систем является схема прямого измерения НЧ-шумов в диапазоне 20 - 105 Гц, содержащая блок включения исследуемого прибора или структуры, малошумящий усилитель, анализатор и детектор с устройством для регистрации результатов измерения.

Рассмотрены особенности схем включения электронных приборов и структур различного класса при измерениях НЧ-шума, предусматривающих измерение импедансных характеристик исследуемых объектов, мер по увеличению помехозащищенности и требования к источникам питания. Разработаны варианты схем включения, обеспечивающих измерения шумов как на отдельных структурах, так и на структурах в составе полупроводниковых пластин, и предусматривающие возможность проведения измерений одновременно на нескольких структурах с использованием многозондового устройства.

Разработаны модульные варианты малошумящего усилителя для различных диапазонов импеданса исследуемых приборов с минимальным эквивалентным шумовым сопротивлением 30 - 100 Ом,

Проанализированы погрешности, связанные с процессами измерения НЧ-шума и калибровкой измерительной системы. Оценен относительный вклад основных источников погрешностей при использовании различных шумовых эталонов, для исследуемых приборов с различным импедансом и в зависимости от формы амплитудно-частотной характеристики анализатора. Установлены условия измерения шумов в каждом частотном диапазоне с погрешностью, не превышающей заданную. Определены пути снижения погрешностей, позволяющие поддерживать ее на уровне, не превышающем 10 X.

Анализатор спектра, управляемый ЭВМ. Разработан многофункциональный анализатор А020 для измерения спектральных характеристик НЧ-шумов в диапазоне 20 - 105 Гц, содержащий 20 частотных каналов с аналоговыми фильтрами и детекторами; отношение центральной частоты к полосе пропускания канала составляет f/&f =»6. Анализатор ориентирован на использование совместно с ЭВМ различных типов, включая IBM PC. В соответствии со структурой управляющей программы ЭВМ, анализатор обеспечивает измерение спектральной плотности шума на любой заданной частоте или в любой заданной последовательности для группы частот и с заданным числом повторений на каждой из частот. Имеется также возможность проведения измерений

с паузами заданной длительности, что необходимо в автоматизированных системах в связи с переходными процессами при изменении режима работы исследуемых приборов или подключении к измерительной схеме дополнительных устройств.

Существует возможность широкого использования схемотехнической разработки АС-20; в частности, она была применена при создании образца автомобильного радиолокатора на предприятии НПО "Исток".

Автоматизированная система для температурного шумового сканирования полупроводниковых приборов. Разработана система для снятия КТС полупроводниковых приборов, построенная на базе АС-20 и содержащая, кроме анализатора и малошумящих усилителей, измерительные приборы и устройства промышленного изготовления. Исследуемый прибор размещается внутри термокриостата. температура внутри которого изменяется в соответствии с управляющей программой ЭВМ. Основным режимом системы является режим автоматического измерения КТС при изменении температуры в диапазоне 200 - 450 К. Температура изменяется с шагом 5° и поддерживается для каждого установленного значения с точностью ±1°.

Для проведения шумовой спектроскопии при каждой установленной температуре проводятся измерения шума на 8 фиксированных частотах (гл. II, IV, V), однако число таких частот может быть увеличено до 20.

Помимо электротехнических способов помехозащиты, при реализации системы использованы программные, блокирующие высокочувствительную часть схемы на время включения нагревательного устройства термокриостата. Система позволяет вести непрерывный контроль за снятием КТС, проводить снятие КТС в любом заданном температурном диапазоне, увеличивать точность измерений путем задаваемого увеличения числа повторных измерений спектральной плотности для каждой частоты и задавать любое направление изменения температуры при снятии КТС. Максимальное время измерения КТС для 8 частотных точек с погрешностью не более 10% в полном температурном диапазоне не превышает 30-40 мин.

Предусмотрена возможность перевода системы в полуавтоматический режим для измерения спектральных характеристик шума электронных приборов при фиксированной температуре с заданным числом частотных точек и в заданном диапазоне частот.

С использованием указанных систем выполнен основной объём экспериментальных исследований, направленных на разработку моде-

лей компонент НЧ-шума в электронных приборах и поиск эффективных способов контроля качества (гл. I - VI).

Автоматизированная система для токового шумового зондирования. На базе АС-20 разработана система измерения НЧ-шумов при различных постоянных токах, проходящих через испытуемый прибор. Величина тока задается с помощью устройства, управляемого ЭВМ, и может изменяться в диапазоне Ю-5 - 10~э А. В системе предусмотрена возможность автоматического измерения ВАХ и импеданса исследуемого прибора для каждого задаваемого тока. С целью увеличения производительности измерений имеется возможность работы системы в режиме многозондового устройства для сведения к минимуму интервала времени между измерениями НЧ-шумов различных исследуемых приборов и структур.

Предусмотрена возможность использования разработанной системы в различных режимах, включая полностью ручной на этапе предварительных измерений и полностью автоматизированный для измерений на больших выборках изделий при статистическом моделировании.

Автоматизированный вариант системы внедрен на предприятии НИИПП и используется для оценки качества диодных структур Шотки и разрабатываемых на их основе смесительных устройств. Упрощенный вариант внедрен на предприятии "ЗЭЛТА" для выборочного текущего контроля качества кинескопов непосредственно на конвейере.

Универсальная измерительная система с использованием персональных Компьютерру. Разработана и реализована многофункциональная система с управлением от персональных компьютеров 1ВМ РС, позволяющая с помощью дополнительных встраиваемых в корпус ЭВМ плат существенно сократить число используемых в системе блоков и устройств, значительно упростить схемотехническое выполнение, уменьшить энергоемкость и габариты, а также повысить помехоустойчивость. Разработанная система обладает значительными перспективами для развития в направлении дальнейшего расширения функциональных возможностей и сокращения объема за счет исключения АС-20 при переходе к цифровому спектральному анализу.

Выводы по главе.

1. Создана система для измерения НЧ-шумов в блочно-модульном исполнении на основе малошумящих транзисторных усилителей и анализатора спектра с компьютерным управлением.

2. Реализованы измерительные системы с широким диапазоном изменения уровня автоматизации, легко адаптируемые к различным условиям

и задачам измерений и предназначенные для температурного шумового сканирования и токового шумового зондирования электронных приборов, включая варианты для текущего контроля в условиях массового производства.

3. Найден и реализован оптимальный вариант универсальной измерительной системы на базе персональных компьютеров, обладающий как широкими функциональными возможностями, так и значительными перспективами в дальнейшем развитии.

Заключение.

Выбранное приоритетное направление поиска способов контроля качества по НЧ-шумам получило подтверждение своей эффективности как в целом по результатам, так и на отдельных стадиях. Усилия, направленные на моделирование основных компонент НЧ-шума электронных приборов, подтверждают справедливость предложенной концепции о преимущественной локализации информативных источников шума в периферийных областях структуры и на границах раздела различных сред. Моделирование шумов для базовых полупроводниковых структур и найденные модели представляют основу расширенного применения полученных результатов для полупроводниковых приборов не только рассмотренных, но и других типов и изготовленных из других материалов (31, 1пР и др.). Разработанные модели, позволяющие рассчитывать уровень шумов в зависимости от электрофизических характеристик активного слоя и его размеров, могут быть также использованы при создании шумовых моделей в типичных рабочих условиях и служить средством при проектировании приборов с улучшенными шумовыми характеристиками.

Эффективным инструментом раздельного изучения компонент НЧ-шума в готовых изделиях является шумовая спектроскопия, основанная на компьютерном моделировании кривых температурного шумового сканирования. В сочетании с соответствующим вариантом разработанной автоматизированной аппаратуры осуществляемая по такому принципу шумовая спектроскопия служит не только для поиска эффективных способов контроля, но представляет самостоятельный способ контроля качества полупроводниковых приборов и структур.

Раздельное моделирование и изучение компонент НЧ-шума приводит к выводам о неодинаковой эффективности 'этих компонент для оценки качества электронных приборов различных классов. Не исклю-

чая информативный характер фдиккерной компоненты, следует отметить значительно более важную роль ГР-компоненты для рассмотренной группы полупроводниковых приборов. В то же время для вакуумных приборов наибольшее значение имеет фдиккерная компонента, причем структура модели отбираемого с катода тока, связанная с демпфирующим влиянием прикатодного пространственного заряда, служит основой для расширения результатов моделирования после незначительных экспериментальных уточнений на весь класс приборов с термокатодами.

При реализации приоритетных направлений поиска разработана группа новых эффективных способов контроля качества, ряд из которых не имеет аналогов и позволяет продемонстрировать преимущества шумовых способов контроля по сравнению с традиционно используемыми. Применяемые при этом средства разработки могут быть использованы для широкого класса электронных приборов. Е первую очередь, это нахождение условий измерений НЧ-шумов путем оптимизации в температурно-частотном диапазоне, оптимизации структуры алгоритма определения обобщенного контролирующего шумового параметра и токовое шумовое зондирование катодов в электровакуумных приборах.

Проблема, связанная с ограниченным использованием шумовых методов при оценке качества изделий и оптимизации технологических процессов, в значительной мере разрешается благодаря разработке многовариантного и многофункционального комплекса измерительного оборудования. Созданы и реализованы различные варианты измерительных систем, необходимые на различных стадиях поиска шумовых способов контроля, с различным уровнем автоматизации, адаптируемые к управляющим ЭВМ различных типов и условиям, максимально приближенным к производственным. Созданный образец универсальной измерительной системы на основе персональных компьютеров является базой дальнейшего всестороннего совершенствования с точки зрения автоматизации, производительности, помехозащищенности и функционал!, ных возможностей.

Ряд разработанных способов и средств для их осуществления внедрены на предприятиях по производству и разработке полупроводниковых активных электронных элементов, устройств на их основе и в электровакуумной промышленности.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Воробьев М.Д..Склизнев С.М., Попов А.И. Использование низкочастотных шумов для оценки качества и надежности диодов Ган-на.// Электронная техника. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания.- 1984 - N 5 - С.7-11.

2. Воробьев М.Д., Склизнев С.М., Юрченко В.И. Применение зондовой методики для диагностики полупроводниковых структур по характеристикам токового шума.// Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1984 - N 12 - С.74-77.

3. Воробьев М.Д., Склизнев С.М., Смирнов Л.П., ЮрченкоВ.И. Зависимость уровня шумов диодов Ганна от размеров активного слоя.// Электронная техника. Электроника СВЧ. - 1986 - N 9 -С. 29-31.

4. Воробьев М.Д., Божков В.Г., Малаховский О.Ю., Склизнев С.М. Низкочастотные шумы диодных структур на арсениде галлия.// Электронная техника. Полупроводниковые приборы. - 1987 - N 1 -С.88-91.

5. Амирян P.A., Воробьев М.Д..Глыбина Т.В., Склизнев С.М., Смирнов Л.П. Исследование возможности снижения шумов квадратичного детектора в модуляционном радиометре.// Электронная техника. Электроника СВЧ. - 1990 - N 9 - С.13-17.

6. Воробьёв М.Д., Коханов Н.Г., Склизнев С.М., Смирнов Л.П. Использование генерационно-рекомбинационного шума для оценки качества активного слоя диодов Ганна.//Труды МЭИ - МЭИ - 1987

- N 123 - С.71-78.

7. Воробьёв М.Д., Коханов Н.Г., Склизнев С.М., Смирно^ Л.П. Шумовая спектроскопия как метод нераэрушающего контроля и диагностики диодных структур Ганна.// Электронная техника. Электроника СВЧ - 1991 - N 1 - 0.29-33.

8. Воробьёв М.Д., Кармазин С.В., Коханов Н.Г., Склизнев С.М., Смирнов Л.П. Шумовая спектроскопия глубоких уровней в GaAs полевых транзисторах Шотки.// Электронная техника. Электроника СВЧ - 1991 - N 6 - С.36-40.

9. Клейнер Э.Ю., Амирян P.A., Воробьёв М.Д. Аномальный фликкер-шум ламп с оксидным катодом.// Радиотехника и электроника. - 1969 - N 4 - С.735-737.

Ю.Воробьёв М.Д., Клейнер Э.Ю. О природе фликкер-шума оксидных катодов.//Журнал технической физики. - 1975 - N 7 -

С. 1482-1485.

И.Клейнер Э.Ю., Воробьёв М.Д. Фликкер-шум в плоском диоде с термокатодом.// Иэв. АНСССР. Сер. Физическая.- 1974 - N2 -С.415-419.

12.Клейнер Э.Ю., Воробьёв М.Д., Новоселец В.И., Смирнов Л.П. Исследование зависимости уровня низкочастотного шума от величины междуэлектродных расстояний в электронных приборах с термокатодом.//Труды МЭИ - МЭИ - 1975 - N 279 - 0.54-57.

13.Воробьёв М.Д., Новоселец В.И. Низкочастотные шумы термокатодов на основе окислов щелочноземельных металлов.//Электронная техника. Электроника СВЧ.- 1984 - N 6 - С.27-31.

14.Воробьёв М.Д. Исследование зависимости низкочастотных шумов, диодов с импрегнированными катодами от анодного тока.//Труды МЭИ - МЭИ - 1972 - N 108 - С.65-68.

15.Берлин Г.С., Воробьёв М.Д., Клейнер Э.Ю., Печенкин В.И. Исследование низкочастотных шумов механотронных чувствительных систем с оксидными катодами.// Электронная техника. Электровакуумные и газоразрядные приборы. - 1978 - N 4 -С.110- 115.

16.Воробьёв М.Д..Смирнов Л.П. Низкочастотные шумы термокатодов в режимах, близких к насыщению.// Электронная техника. Электровакуумные и газоразрядные приборы. - 1978 - N 4 -С.8-12.

17.Воробьёв М.Д., Склизнёв С.М., Смирнов Л.П. Частотно-модулированные и токовые шумы диодов Ганна. //Труды МЭИ - МЭИ - 1981 -N 547 - С.106-110.

18.Воробьёв М.Д., Склизнёв С.М., Смирнов Л.П., Попов А.И. Связь частотно-модулированных и токовых шумов генераторов на диодах Ганна.// Радиотехника и электроника. '- 1983 - N 11 0.2294-2297.

19.Воробьёв М.Д., Путилин В.П., Склизнёв С.М., Смирнов Л.П., Ягупов А.Е. Шумовые характеристики диодов Ганна и их изменения под действием V-облучения.// Электронная техника. СВЧ-техника.- 1994 - N 1 - С.27-30.

20.И.А.Баранов, М.Д.Ворбьёв,Н.Г.Коханов,С.М.Склизнёв,Л.П.Смирнов. Шумовая спектроскопия глубоких центров в структурах микросборок усилителей на полевых транзисторах Шотки.//Шумовые и дег-радационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы научно-технического семинара - Москва - 1990 - С.113-118.

21.Воробьев М.Д..Склизнев С.М., Трусова О.Ю., Юрченко В.И. Оценка возможности оптимизации технологических режимов по уровню низкочастотных шумов диодов Ганна.//Электронная техника. Электроника СВЧ. - 1986 - N 10 - С.40-42.

22.Воробьев М.Д., Коханов Н.Г., Склизнев С.М., Смирнов Л.П. Автоматизированная система для шумовой спектроскопии полупроводниковых структур. //Изв. ВУЗов.- 1991 - N 9 - С.91-92.

23.Воробьёв М.Д. Моделирование 1/Г-шума ОаАз-диодов Шотки. //Электронная техника. СВЧ-техника.- 1994 - N 4.- С.31-34.

24.Воробьёв М.Д. Моделирование 1^-шума (ЗаЛз-диодов Ган-на.// Электронная техника. СВЧ-техника.- 1994 - N 3,- С.37 -40.

25.Воробьёв М.Д. Моделирование шумов типа 1/Г в арсенидгаллиевых СВЧ-приборах.//Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах : Материалы научно- технического семинара -Москва - 1960 - С.32-39.

26.Воробьев М.Д., Склизнев С.М., Смирнов Л.П., Цветков П.А. Оценка качества электронно-лучевых приборов с оксидным катодом по характеристикам низкочастотного шума.//Электронная техника. СВЧ-техника,- 1994 - N 2 - С.27-32.

27 А.с. 1274558 СССР, МКИ Н 01 121/66. Способ контроля параметров полупроводниковых диодных структур/ М.Д.Воробьев, С.М.Склизнев, Л.П.Смирнов, В.И.Юрченко.

28.А.с. 1828322 А1 СССР, МКИ Н 01 Л 9/04. Способ контроля качества катодов электронно-лучевых трубок/ М.Д.Воробьёв, Н.В.Калугин, Н.Г.Коханов, С.М.Склизнев, Л.П.Смирнов.

29. А.с. 1832230 А1 СССР, МКИ б 01 1?31/2б. Способ контроля диодов/ М.Д.Воробьев, Н.Г.Коханов, С.М.Склизнев, Л.П.Смирнов. //07.08.93.

30.Патент 2012006 С1 РФ, МКИ 3 01 Й31/26.Способ контроля качества транзисторов и транзисторных структур/ М.Д.Воробьёв, С.В.Кармазин , Н.Г.Коханов, С.М.Склизнев, Л.П.Смирнов // 30.04.94.