Фундаментальные электрические шумы и неразрушающий контроль электронных приборов

Цель. Исследование возможностей широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов и теоретическое обоснование использования электрических шумов в этих целях. Для этого рассматриваются фундаментальные электрические шумы и анализируются те их типы, которые принципиально могут быть использованы для неразрушающего контроля.

Методы. Теоретически исследованы флуктуационные процессы, лежащие в основе нескольких типов электрических шумов, и деградационные процессы в электронных приборах. Проанализирована связь спектральных свойств флуктуаций с характеристиками деградационных процессов в электронных приборах. На основании этого сделаны выводы о возможностях применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. Рассмотрены электрические флуктуационные явления, вызванные захватом и эмиссией носителей заряда ловушками, образованными дефектами структуры твердых тел. Процессы захвата и эмиссии носителей ловушками являются основополагающей причиной следующих фундаментальных типов электрических шумов: избыточного, генерационно-рекомбинационного и взрывного. При этом имеются существенные различия по параметрам и статистическим свойствам флуктуационных процессов для разных типов шумов. В связи с этим анализировались электрические флуктуации, вызванные ловушками, с целью дать достаточно общее описание таких флуктуационных явлений. В результате дано строгое описание электрических флуктуаций, вызванных ловушками. Вычислено выражение общего вида для спектра флуктуаций. От него можно перейти в частных случаях к спектрам избыточного, геннерационно-рекомбинационного и взрывного шумов. Результаты изучения электрических флуктуаций, вызванных ловушками, могут быть применены для определения спектральных свойств флуктуаций твердых материалов и электронных устройств на их осно- ве. Проведен строгий количественный анализ деградационных процессов, протекающих в электронных приборах на основе твердых материалов, в целях связать спектральные характеристики шумов, вызванных захватом и эмиссией носителей дефектами структуры, со степенью дефектности материалов для развития возможностей использования шумов для оценки качества и надежности электронных приборов. Установлено: спектральная плотность шума связана со степенью и со скоростью деградации структуры. Таким образом, шумы в электронных приборах содержат информацию о степени и скорости деградации. Сделаны следующие практические выводы. Спектральная плотность шума связана с числом дефектов в приборе в начальный момент и связана со скоростью образования дефектов и, следовательно, со скоростью старения электронного прибора. Таким образом, шум содержит информацию о качестве изготовленного прибора и о скорости изменения эксплуатационных характеристик прибора. Следовательно, по спектру шума можно оценить недостатки качества электронного прибора, как возникающие в процессе изготовления, так и проявляющиеся в процессе эксплуатации.

Выводы. В итоге работы обоснованы возможности широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, показана возможность использования фундаментальных типов электрических шумов для этих целей. Строгое обоснование применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, возможность оценки недостатков качества приборов, вызванных различными причинами, использование широко распространенных и часто преобладающих типов шумов, высокая чувствительность флуктуационной спектроскопии указывают на эффективность применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. 

1. Jones B.K. Electrical noise as a measure of quality and reliability in electronic devices // Adv. Electron. Electron. Phys. 1993. V. 87, P. 201-257.

2. Якубович Б.И. Электрический шум и дефекты структуры твердых тел. Germany: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 116 с.

3. Kirton M.J., Uren M.J. Noise in solid-state microstructures: A new perspective on individual defects, interface states and low-frequency (1/f) noise // J. Adv. Phys. 1989. V. 38, N. 4. P. 367-468.

4. Fleetwood D.M. 1/f noise and defects in microelectronic materials and devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62, N. 4. P. 1462-1486.

5. Якубович Б.И. Электрические флуктуации в твердых телах. Germany: AV Akademikerverlag, 2013. 212 с.

6. Малахов А.Н. К вопросу о спектре фликкер-шума // Радиотехника и электроника. 1959. Т.4 , № 1. С. 54-62.

7. Якубович Б.И. Электрические флуктуации в неметаллах. СПб.: Энергоатомиздат, 1999. 208 с.

8. Якубович Б.И. О природе избыточного низкочастотного шума (обзор) // Успехи прикладной физики. 2016. Т.4, №2. С. 127-138.

9. Mitin V., Reggiani L., Varani L. Generationrecombination noise in semiconductors // Noise and fluctuations control in electronic devices (Ed. A. Balandin). California: American scientific publishers, 2002. P. 11-29.

10. Якубович Б.И. Генерационно-рекомбинационный шум в полупроводниках // Научное приборостроение. 2013. Т.23, №4 С.50-53.

11. Kleinpenning T.G.M. On 1/f noise and random telegraph noise in very small electronic devices // Physica B. 1990. V.164, N. 3. P. 331-334.

12. Феллер В. Теория вероятностей и ее приложения. – Т.1. М.: Мир, 1984. 528 с.