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1、1光 电 耦 合 器 CTR 的 噪 声 表 征胡 瑾 1 杜 磊 1 庄 奕 琪 2 何 亮 1 包 军 林 2 黄 小 君 1陈 春 霞 1 卫 涛 1 王 栋 11.西安电子科技大学技术物理学院，西安 7100712.西安电子科技大学微电子学院，西安 710071摘要 光电耦合器件陷阱密度是影响其电流传输比(CTR)的重要因素，并与可靠性有密切关系。在器件内部的多种噪声中，低频 1/f 噪声可有效地表征器件陷阱密度。本文在研究红外光电耦合器（后简称光电耦合器）工作原理及 1/f 噪声载流子数涨落理论和迁移率涨落理论的基础上，建立了光电耦合器的 CTR 表征模型及 1/f 噪声模型。通过所
2、建立光电耦合器电学模型和噪声模型得到了光电耦合器性能表征参量 CTR 与低频 1/f 噪声之间定性的关系。在输入电流宽范围变化的条件下测量了器件的电学噪声，实验结果与理论模型符合良好。通过对其测量结果分析，深入研究了噪声和 CTR 的关系,证明噪声可以较电学参数更准确地反映器件可靠性，噪声幅值越大，电流指数越接近于 2，则器件的可靠性越差，相同工作条件下 CTR 的老化衰减量越大，继而影响器件可靠性，造成失效率显著增大。关键词:1/f 噪声；光电耦合器；电流传输比；陷阱 PACC:7270, 5225G, 79601. 引言近年来，随着光电混合集成电路技术的发展及生产工艺的日趋成熟,光电耦合器
3、件在军用和民用领域都受到人们普遍青睐。但是，由于红外光电耦合器自身的结构较一般器件复杂，对其质量和可靠性的控制、预测和评估也较一般混合电路困难和复杂。导致光电耦合器性能退化降低的主要因素是电流传输比(CTR)降低退化。而 CTR 降低退化的主要原因是材料本身存在缺陷或杂质，电流电压不在合理工作区范围内，以及由于环境等因素产生大量诱生缺陷等，而以上问题造成产品失效率增大，可靠性降低（原因没说清楚，这几层因素的逻辑关系是什么？） 。由于 CTR 决定了器件的性能，所以一般用 CTR 作为光电耦合器的可靠性表征参量。具体应用时，根据光电耦合器的实际用途具体设定 CTR 门限值，当低于门限值就认为器件
4、失效了。所以，CTR 可以作为光电耦合器的失效表征参量或判据。在可靠性工程中，通过加速寿命试验和高低温循环实验，检测 CTR变化来评定器件的可靠性。这种评估方法是破坏性的，而且所得结果是统计性的。近年来， 失效物理可靠性评估方法日益受到人们重视 参考文献 （这句话突然冒出，又不准备展开讨论失效物理方法，这样写不合适，论文可不涉及失效物理，论文线索简单化比较好。 ） 。 噪声作为比传统可2靠性表征参量更为灵敏，且含有更为丰富器件缺陷信息受到重视 1-2 参考文献 。 的表征参量在失效物理评估方法中发挥着越来越大的作用。 研究结果表理论和实验均已证明 2,3，过剩低频噪声通常是由器件中的杂质和缺陷
5、和不完整性引起的，如氧化层陷阱、晶格位错等，而这些缺陷正是引起器件失效的主要因素，故过剩低频噪声尤其是 1/f 噪声与器件可靠性有密切的关系。如上所述，缺陷也是引起电耦合器 CTR 降低的主要因素，如此推断过剩低频噪声也有望用于光电耦合器 CTR 降低的表征。基于这一设想，本文在发光二极管可靠性噪声表征模型 11的基础上，研究噪声用于光电耦合器 CTR 表征的方法。已建立了一些相对简单器件的可靠性噪声表征模型，如，发光二极管、MOS 场效应管等.从而为实现低频噪声表征光电耦合器 CTR 衰减的，提供了很好的理论基础和研究手段，故产生了用测量光电耦合器的噪声功率谱的方法作为器件可靠性测试方法。本
6、文首先对器件的内部结构进行了研究，建立光电耦合器的 CTR 模型，证明陷阱密度是影响光电耦合器发光效率等性能参数的重要因素。其次，建立光电耦合器低频噪声模型，该低频噪声模型可以有效地表征陷阱密度。在上述两模型基础上，得到噪声与 CTR 之间的关系，从而建立起光电耦合器 CTR 的噪声表征方法。本文通过在宽范围输入电流条件下测量了器件的电学噪声，结合其电学特性测量，证明上述理论模型的正确性。2.模型光电耦合器是把发光器件和受光(光敏)器件封装在同一壳体内的光电转换器件的总称。通过输入端加电信号,发光二极管发出光,光敏探测器接收到光照后,产生光电效应,输出电信号。如此实现“电信号光信号电信号”的转
7、换与传输。本文模型是首先建立器件在发光部分和光敏部分基础上，再通过耦合的方式得到统一光电耦合器件模型。2.1 CTR 表征模型电流传输比 CTR(current transfer ratio)指输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比，即 CTR=( / )100%.它不是一个常数,而是随时间而变化的,故在传CILED输小信号时,用直流传输比是不恰当的,应引进交流传输比 CTR，它表示 CTR 随时间的变化，因而在做老化失效试验时，通常使用 CTR本文 CTR 表征模型针对 CTR 和 CTR 分别建立。2.1.1 发光二极管发光二极管的实质性结构是半导体 PN 结，LED
8、 发光区域主要集中在 p-GaAs 有源区，根据其工作原理 8可知发光二极管就是在 PN 结上加正向电压产生少数载流子注入，通过少数载流子的辐射复合发光产生的光子，而光子密度 S 在一定条件下决定了二极管的输出功率 Pout，因此对 LED3而言注入少子通过辐射复合产生的光子数就尤为重要 11 。由于 LED 的发光区主要集中在有源区，所以主要分析有源区过剩载流子密度和总光子密度，对其速率方程进行稳态分析可得 4： (1)()()LEDnactractIRqVn(2)phsr其中 为直接辐射净复合率， 为复合中心复合的净复合率，n 为有源区过剩载流子密度；rR为有源区体积， 为注入到有源区的电
9、流；s 为有源区总光子密度； 为自发发射系数；actVLEDI sp为光子寿命，ph根据文献11可知，假设 ，且 时，直接辐射净复合率 表示为 4npC00nprR(3)02ex()()p2LEDi LEDr acttiqVBrkTIRNn其中 Br 为复合系数, ， 分别为平衡态电子和空穴密度， n 为非平衡载流子密度, Cn， Cp 分0np别为电子和空穴俘获系数; , ； 为 LED 氧化层陷阱密度;1ex()tiikT1exp()itiEkTLEDtN为复合中心能级； 为本征费米能级； 为本征载流子浓度。 为每个光子的能量， 为光学tEiEinh效率， A 为出光面积, c 为光速。根
10、据半导体 P-N 结 I-V 特性 5，结合对 LED 分析，可推知 LED 的 I-V 特性为：(4)2exp(/)exp(/2)2LEDitniLEDRAqndCNqIIVkTqVkTLN由于器件发光主要来自于扩散电流,而非辐射复合主要来自于复合电流，则可得：(5)0 02exp()() 2exp()2LEDir inntRAtqBRIqVkTCNLNdCkT将(4)式化简，结合半导体理论 5将其及(2)、(3) 式依次代入有效光功率 Pout 的原始表达式，则可得到输出有效光功率 Pout 为：(6)00qV2exp()kT() +2LEDLEDnioutphsrphs actAti I
11、AcRnc qNdC 2.1.2 光敏部分表征光接收系统通过接受光信号并将其转化为电流或是电压，所以探测器性能就尤为重要。入射光照射在探测器上，在探测器内部激发出载流子。但由于响应速度等方面的问题，探测器只能对所吸收的光强或对几个周期内的平均光子数产生响应，所以探测器内光生载流子的产生率 G 正比于入射光功率，G 可表示为 7： (7) inoutGPh由于光照产生每个载流子均以平均漂移速度流过空间电荷层，则所有载流子对外电路瞬时电流的贡献为：(8)2()2()inoutp qiqh其中 为载流子的产生率， 平均光电流， 量子效率（一个光子激发出载流子对的几率） ，Gpiin为调制深度， 是载
12、流子疏运因子。 ()由于输入的有效光电流也就是输入的基极电流,I b= 则可以得到输出电流符合一般双极型pi晶体管的性能，选用共射晶体管分析，发现在假定平均光电流恒定的条件下，放大系数 hFE的变化对器件性能的变化最为明显。由于根据晶体管原理 ，且比值为 ( )，同时 且EIbFEh1CIb比值为 ，综合(6)和(8)式可得：FEh(9)0012exp()(1) 2()12LEDni inLEDs phs FEactAtiqVqIkTIi AhVNdC(10)001e() 2()xp2LEDni inLEDCsFE phs FEactAti qIkIih hqVdTA根据文献8提到的 的关系分
13、析可知：Fh(11)21()BSFEBttdNIk式中 是基区表面势 的归一化表示、 为空间电荷区电荷面密度、 为光敏三极管SsqkTsS BtN的氧化层陷阱密度。将(11) 式带入（10）式整理后可得(12) 式,(12)0 2012exp()21()LEDni inSLEDBCphs tact tAtiqVqdIIkTIc kTNhNdC 根据 CTR 和 CTR 9的定义，将(10)(12)分别带入可以得到光电耦合器的 CTR 和 CTR 的表达式(13)、(14) 式： (13)0012exp()2()10%2LEDni phsC inFELED actAtiqVAI qkTTR hq
14、VNd (14)0012exp()1()2LEDniphs inSBtact tAtiqdNIk kTqVhdCT B2.2 噪声模型光电耦合器的低频噪声通常包括 1/f 噪声和 g-r 噪声。由于低频噪声通常是由器件中的杂质和缺陷引起的，1/f 噪声是粒子集体运动中的一个普遍涨落现象，同时也是系统内部特性的一个反映携带丰富的信息，所以较 g-r 噪声可更好地反映器件的可靠性，故本文主要研究器件 1/f 噪声模型。根据 van der Ziel 和 Harder 等人的低频噪声分析，1/f 噪声主要分为与单电子性质相关的扩散 1/f 噪声和与界面态/表面态相关的复合 1/f 噪声两类 6。扩散
15、 1/f 噪声主要是器件迁移率的涨落造成的少子扩散电流的涨落引起的，而复合 1/f 噪声主要是由表面氧化层、空间电荷区等处的陷阱中心对载流子的随机俘获与发射，其噪声大小取决于陷阱密度的多少。本文的噪声模型是建立在这两种模型基础上。根据光敏三极管研究结构和工作原理的研究，可知光电耦合器的低频噪声主要来自于（正向偏置的发光二极管 PN 结和光敏三极管的发射结）体区陷阱和空间电荷区附近的表面陷阱对载流子的复合和发射。具体说，发光二极管的低频噪声主要是基区表面发射结空间电荷区中表面和位错引起的复合噪声，而光敏三极管的低频噪声主要是从发射区到收集区的少子扩散噪声，以及收集区和基区间的复合噪声 8,10。下面利用已有噪声理论分别分析以上几种噪声源。根据胡格公式 6光敏三极管收集区的少子扩散噪声可以用(15)式表示。(15)()ccDIqISf将(10)式带入(15) 式，并引入集电极电流中扩散电流的比例系数 ，便可得收集区的少子D扩散噪声完整表达式：(16)0012exp()() 2()2cDLEDni inLEDI phs DFEactAtiqVqkTIqSf AchVNdC 与界面态/表面态相关的复合 1/f 噪声遵循载流子数涨落理论 6，因
