Rauschparameter bei Halbleiterkomponenten schnell und reproduzierbar messen

Autor / Redakteur: Gabriel Loata * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für Forschung, Entwicklung oder Produktion von Halbleiterkomponenten müssen die Streu- und Rauschparameter bekannt sein. Wir zeigen einen Messaufbau für Rauschparameter mit einem Wafeprober.

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Entwicklung von Schaltkreisen: Die meisten Bauelemente werden direkt auf dem Wafer untersucht.
Entwicklung von Schaltkreisen: Die meisten Bauelemente werden direkt auf dem Wafer untersucht.
(Bild: ©lucadp - stock.adobe.com)

Für die Prozesse der Forschung und Entwicklung oder in der Produktion von Halbleiterkomponenten ist es notwendig, die Streu- und Rauschparameter zu ermitteln. Außerdem müssen bei der Entwicklung von Schaltkreisen für Kommunikationstechnik oder Sensorik viele Bauelemente direkt auf dem Wafer untersucht werden. Für einen effizienten Ablauf müssen die Messungen schnell und reproduzierbar sein. Hinzu kommt, dass der Messaufbau Benutzerfreundlich sein sollte.

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Messen von Rauschzahl und Rauschparameter

Die HF-Rauscheigenschaften eines sogenannten elektrischen Zwei-Tor-Bauteils wird durch die Rauschzahl definiert bzw. durch die Verschlechterung der Signal- zur Rauschleistung (Signal-to-Noise Ratio), die durch das Eigenrauschen des Bauteils verursacht wird. Mathematisch wird die Rauschzahl als das Verhältnis zwischen der Signal-/Rauschleistung am Eingang und der Signal-/Rauschleistung am Ausgang des Systems dargestellt:

Formel 1
Formel 1

Bei den Rauscheigenschaften von Zwei-Tor-Systemen wird angenommen, dass das sich das System in einem linearen Betriebsbereich befindet. Das Bild 1 zeigt die Rauschleistung am Ausgang (Leistung) mit einer linearen Abhängigkeit zur Rauschleistung am Eingang (Temperatur). Somit ist die Rauschzahl weder vom Eingangspegel noch von der Verstärkung des Systems abhängig. Mit der genannten Y-Faktormethode lässt sich die Rauschzahl bestimmen. Hier wird der Eingang des Zwei-Tor Systems an eine Rauschmessnormale (oder Rauschquelle) angeschlossen. Die Rauschleistung wird am Ausgang für zwei unterschiedliche Zustände (hot und cold) bzw. Rauschleistungen am Eingang, aufgenommen. Das Verhältnis der beiden Ausgangsrauschpegel wird als Y-Faktor definiert.

Die unterschiedlichen Eingangsrauschleistungen lassen sich mit einer Rauschquelle der Serie SNS von Keysight erzeugen. Die Quelle besteht aus einer Diode, die in angeschaltetem Zustand (hot) in Sperrrichtung betrieben wird, sogar fast im Lawinendurchbruch, was viel Rauschen verursacht. Im anderen Zustand ist die Rauschdiode ausgeschaltet (cold) und liefert kein zusätzliches Rauschen jenseits des normalen Rauschens, das durch den Quellenwiderstand bei einer gewissen Temperatur erzeugt wird.

Ihre Präzision mit nachgeschalteten Dämpfungsglied sorgt dafür, dass sie an die 50-Ohm Messumgebung angepasst ist. Zusätzliches Rauschen im angeschalteten Zustand durch den Lawinendurchbruch bezeichnet man als Überschuss-Rausch-Verhältnis (Excess-Noise-Ratio). Das ENR für verschiedene Frequenzen wird als Kalibrierinformation bei jeder Rauschquelle individuell geliefert. Mit Hilfe des ENRs und des Y-Faktors kann jetzt die Steigung der Rauschleistungsgerade für die an- und ausgeschaltete Rauschquelle berechnet werden: F = ENR / (Y-1) (Formel 2).

Y-Faktor versus Cold-Only-Technik

Bei der erwähnten Annahme geht man von Raumtemperatur (T = 290 K) und einer Messumgebung von 50 Ohm aus. Bei der Y-Faktor-Messmethode sind die Reflexionsfaktoren der Rauschquelle für „An“ und „Aus“ unterschiedlich, was zu Messungenauigkeiten bei der Rauschzahlauswertung führt. Deshalb greift man zusätzlich auf die Cold-Only-Methode zurück: Die Rauschdiode wird so selten wie möglich angeschaltet. Der Referenzpunkt auf der Y-Achse wird aus einer einzigen Cold-Messung bestimmt und die Steigerung oder Verstärkung wird anders bestimmt: beispielsweise aus einer Messung mit normalen sinusförmigen Signalen (S-Parameter). Transistoren oder Verstärker enthalten unterschiedliche und sehr komplexe Rauschmechanismen. Es zeigt sich, dass diese sehr stark von der Quellenimpedanz beeinflusst werden. Das wiederum ruft einen funktionalen Zusammenhang zwischen Quellenimpedanz (Quellereflexionsfaktor ΓS ) und Rauschzahl hervor. Die Rauschzahl erreicht nur für einen optimalen Wert der Quellenimpedanz ein Minimum.

Formel 3
Formel 3

Hier sind die Impedanzen der Quelle und die optimale als Reflektionsfaktoren (Γ=(Z-Z0)/(Z+Z0)) dargestellt. Für eine vollständige Charakterisierung der Rauscheigenschaften eines zwei-Tor Systems bei einer bestimmten Frequenz sind vier Parameter notwendig. Rauschparameter: die minimale Rauschzahl Fmin, der Rauschwiderstand Rn, der Betrag des optimalen Quellreflexionsfaktor |Γopt| sowie der Phasenwinkel von Γopt. Das Bild 3 zeigt die graphische Darstellung der Formel 3. Hier ist die Abhängigkeit der Rauschzahl von der Quellenimpedanz (Quellenreflexionsfaktor) in Form der Kreise konstanter Rauschzahl sichtbar, die auf verschiedene Quellenimpedanzen zentriert sind. Gleicht die Quellenimpedanz ΓS der optimalen Γopt, nimmt die Rauschzahl seinen minimalen Wert (Fmin) und der Rauschkreis wird auf einen Punkt reduziert. Weicht die Quellenimpedanz vom optimalen Wert ab, steigt die Rauschzahl mit einer Geschwindigkeit/Stärke an, die zum Rauschwiderstand Rn proportional ist.

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