高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--用于聚合物钽电容的漏电流噪声研究 二氧化锰, 电子设备, 半导体, 聚合物, 可靠性

Bazinga

4.4电流噪声测试技术应用于聚合物钽电容的漏电流噪声研究
4.4.1有机聚合物钽电容的特点
有机聚合物钽电容被广泛应用于宇航电子设备以及其他对可靠性或性能有较高要求的电子设备中。该器件采用导电率较高的有机聚合物半导体材料作为电容阴极代替了传统钽电解电容的二氧化锰阴极，实现了非常低的电容ESR值，更加优异的频率特性和温度特性以及更长的使用寿命，因而具有更高的可靠性。有机聚合物钽电容是常见极性电容中性能最优异的产品，其性能远高于传统铝电解电容或钽电解电容。

4.4.2电流噪声测试和漏电流测试实验方案




本文改进并简化了已有绝缘介质漏电流测试方法，采用如图4.12所示的测试系统测量聚合物钽电容的漏电流噪声信号。首先给待测样品施加一直流偏置电压V，然后通过SR570电流放大器将流过电容的微弱漏电流噪声信号放大，得到放大后的时域信号I（t）并通过计算机平台上的数据采集卡采集该放大后的信号，之后在Labview软件平台下通过快速傅里叶变换将时域上的信号转换为频域上的电流功率谱密度SI（f）。然后本方案采用3.3.2节中提到的测试方案中的归一化函数对频谱数据进行还原。通过改变偏置电压V我们可以测得不同偏压下的电容漏电流噪声。

在漏电流测试验中，我们采用半导体参数仪Keithley 4200-CSC测试了不同偏置电压下聚合物钽电容的漏电流，即器件的I-V特性。

4.4.3聚合物钽电容的漏电流输运机理及噪声特性
（一）漏电流与噪声之间的关系
本实验测量了标称容量10uF，实际容量9.42uF的聚合物钽电容在不同偏置条件下的漏电流和漏电流噪声，结果分别在表4.7和图4.13中。从数据中可以看出聚合物钽电容的电流噪声功率谱密度与漏电流幅度变化的单调性一致，都是先减小后增大。已有文献中数据也显示传统钽电解电容电流噪声功率谱密度与漏电流幅度的一次方至四次方成正比。

本实验的结果与已有文献中传统钽电解电容电流噪声与漏电流的比例关系一致。虽然聚合物钽电容与传统钽电解电容的结构和阴极材料不一样，但二者电流噪声与漏电流的关系相同，这可能说明导致聚合物钽电容电流噪声的主要机制与传统钽电容一样，在介质材料Ta2O5中，而非阳极或阴极材料中。

由于电流噪声反映的是微观载流子的涨落，而漏电流又直接与器件中的自由载流子浓度成正比，所以我们结合本试验数据和已有文献中的数据可以得到如下结论：聚合物钽电容中构成漏电流输运的自由载流子的浓度越大，其涨落也越大。


（二）漏电流输运机理
本实验对多种不同型号的聚合物钽电容进行了漏电流与偏置电压的I-V曲线测试，在各种样品中均发现了漏电流随偏压先减小后增大的变化规律。

图4.14是本实验中测得的10uF聚合物钽电容在不同偏压下的漏电流特性。

从图中我们可以看到漏电流并不会随着偏压的增大而单调变化，而是先减小后增大。这与文献中传统钽电解电容的电流噪声随偏压的升高而单调递增的结果不一致。

产生电容漏电流的机制有很多种，主要机制有FN隧穿、直接隧穿、Frenkel-Poole发射、Schottky发射。除此之外离子输运电流、欧姆输运电流也会对漏电流有一定影响。在传统钽电容中，漏电流主要是由Frenkel-Poole发射导致。



上式中，A是比例系数，Φ表示绝缘层中陷阱的势垒深度，ε是绝缘层的相对介电常数。从（4-2）式我们可以看出，在温度一定的情况下，绝缘层中电流密度会随着电场强度的增加而变大，而且电场强度越大，Frenkel-Poole发射的作用越明显。

根据（4-3）式，如果聚合物钽电容中起主导作用的漏电流输运机制也是Frenkel-Poole发射，则电容的漏电流会随着偏压的增大而不断增大[35]。所以从图4.14中漏电流随偏压的变化趋势可以看出在聚合物钽电容漏电流输运机理中，起主导作用的并非仅仅是Frenkel-Poole发射。

图4.14中的现象可以用聚合物钽电容中的Frenkel-Poole发射和高分子有机聚合物蒸发导致的导电回路的中断这两种机制来解释。这两种机制共同作用于漏电流输运机制，并且二者是竞争的关系。

当聚合物钽电容两端所加偏置电压V的值较低时，器件中电场强度较弱。此时Frenkel-Poole发射随偏置电压的增加而加强的效果不明显，从而使漏电流增大的作用不明显。而另一方面，随着偏置电压的增大，裂缝处的导电高分子材料温度不断升高，阴极高分子聚合物的蒸发作用不断加快，使介质材料中裂缝和空洞导致的漏电流回路被切断，促使漏电流降低。该漏电流阻碍机制强于Frenkel-Poole发射，并随偏压增高而不断加强，因此低场强下两种机制共同作用的结果为漏电流随偏压增高不断降低。该过程可用（4-4）式描述：


（4-4）式中，代表由绝缘层裂缝或空洞处的阴极材料蒸发所导致的漏电流密度的减小，是一个随着电容两端所加偏置电压和阴极材料温度T递增的函数。

D （V ， T）

V随着偏压的继续增加，介质材料中裂缝形成的导电回路已经几乎全部被裂缝处的高分子聚合物的蒸发所切断，即高分子聚合物的蒸发对漏电流的抑制作用已经达到饱和，为一常数，此时D（V ,T）→D。而另一方面，电场强度不断增加，从而导致Frenkel-Poole发射产生的漏电流机制在高场强下迅速增强，于是出现了漏电流开始不断上升的趋势。此时的漏电流输运机制可用如（4-5）式描述：

又由于聚合物钽电容的漏电流和电流噪声单调性一致，所以图4.13中的噪声谱图也同样随偏置电压的增大先减小后增大。
4.4.4聚合物钽电容的损伤与噪声之间的关系
本研究对钽电容进行了过电压损伤下的漏电流噪声测试和反向电压损伤下的漏电流噪声测试，研究了这两种情况下噪声与损伤程度的关系，并对该关系进行了理论分析。

（1）过电压损伤与噪声之间的关系
本实验对AVX公司型号为157C的聚合物钽电容在一定偏压下进行了漏电流噪声测试，研究了的过电压损伤与噪声之间的关系。该器件额定工作电压为16V，标称容值为150uf，实际容值为136uF.我们在16V、20V、25V这三个电压下对器件施加了10秒、30秒和50秒的直流偏压，测试了这三种不同电应力老化时间下的噪声功率谱密度和漏电流，观察在老化过程中器件的噪声变化。最后提取了该器件的各种噪声参数。

实验结果中出现了一种特殊的现象。结果显示该电容的漏电流噪声对器件的过电压损伤非常敏感，噪声幅值与器件损伤程度成反比。然而传统钽电容的噪声幅度都与损伤程度成正比。测试结果还反映了该器件具有很好的耐压可靠性。在16V、20V的过电压下该电容的容值和漏电流无明显变化，同时噪声也无明显降低。当偏压提高到25V时，该器件的容值和漏电流均出现了较大的波动，同时噪声随着老化损伤时间的增加开始降低。

从图4.15可以看到功率谱密度在1Hz-3Hz上的电容噪声幅度随器件的老化时间的增长而下降，降低幅可达一个数量级。这种特殊的现象可以通过钽电容的内部微观缺陷和高分子导电聚合物的特性来解释。任何一个电容内部的绝缘介质都不是完全连续的，在绝缘表面的某些地方会产生裂缝或者空洞，形成导电回路，电流流经这些导电回路形成了漏电流。这些导电回路中的漏电流流过阴极在阴极上产生功耗，使电容内部局部温度慢慢上升，因此这些裂缝或者空洞是导致电容失效的主要原因。当电容的局部温度升高到一定温度时，会将阴极导电高分子材料蒸发，使连接阳极和阴极的导电回路断开，该过程如图4.16所示。这就是聚合物钽电容的自愈过程。这种微观结构上的回路断开反映到宏观现象上就是出现漏电流的减少。又由于漏电流与漏电流噪声幅度成正比，因而电流功率谱密度降低。老化时间越长，器件内部的局部高温点就越多，并且局部高温点会逐渐向周围扩散，这就会导致被断开的回路越多，因而噪声降低的幅度越大。




漏电流噪声的功率谱密度幅值对电流密度的变化很敏感。由于器件中缺陷部位的电流密度会有较大变化，因此器件内部的缺陷越多，其漏电流噪声的异常越明显，所以漏电流噪声可以作为表征聚合物钽电容可靠性的指标。

在整个实验过程中通过Matlab软件对噪声曲线进行了低频噪声标准模型的拟合，低频噪声标准模型如（4-6）式所示：


等式右边多项式中的两项代表低频电流噪声的两种主要噪声成分，其中A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数。频率指数的值通常约为1，如果该值较大，说明器件中含有爆裂噪声。爆裂噪声表现在功率谱密度曲线上为洛伦兹谱。

拟合数据显示不同电应力条件下，该类器件的1/f噪声幅度有所不同，但其白噪声幅值始终稳定在1×10-21 A2/Hz.频率指数为1.81，这说明该类器件的噪声频谱中含有微弱的洛伦兹谱。

（2）反向电压老化与噪声之间的关系
接下来本文对型号为157T的聚合物钽电容施加了2.5V反向应力，测试了不同反向应力时间后的电容噪声和漏电流，研究了低频噪声与器件反向应力损伤之间的关系。该器件额定工作电压为50V，标称容值为150uf，实际容值为136uF.


从图4.17中的实验结果我们可以看到电容噪声功率谱密度幅度与器件的反向应力损伤时间成反比。随着电容两端施加反向电压时间的不断增加，电容的噪声在低频段不断降低，降低幅度达到50%.该现象可以由钽电容在施加反向应力时发生的特殊效应来解释。对电容施加反向电压时，电容中绝缘层中的裂缝或空洞会在极短时间内流过非常大的电流，该电流会使电容中的缺陷部分快速升温。

在这种快速升温的反应条件下，高分子聚合物会吸收周围材料中的氧。这就在绝缘介质缺陷附近产生了高氧含量的空间，这种高氧空间成为一个阻抗极高的绝缘层，覆盖住原有的缺陷，进而切断了裂缝或空洞处的漏电流并降低了漏电流噪声。在整个实验过程中通过Matlab对噪声曲线进行了拟合，同样发现不同反向应力条件下，器件的1/f噪声幅度有所不同，其白噪声幅值始终稳定在1.5×10-24 A2 /Hz，频率指数为1.92.