Развитие методов анализа 1/f шума полупроводниковых наноразмерных структур

• Автор: Перов, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Модели и методы исследования НЧ шума, экспериментальная установка
1.1. Модель 1/Г шума на основе ансамбля ДУС
1.1.1. Спектр СТП, образованного одним подвижным дефектом
1.1.2. Синтез спектра Ш шума в модели ансамбля СТП
1.2. Экспериментальная установка
1.2.1. Описание
1.2.2. Калибровка
1.3. Программный комплекс для исследования НЧ шума
1.4. Методы исследования статистических характеристик НЧ

1.4.1. Измерение гистограммы, моментов и кумулянтов 1/Т шума
1.4.2. Измерение спектра НЧ шума
1.4.3. Погрешность измерения интенсивности фильтрованного шума
1.4.4. Корреляционный тест
1.4.5. Измерение биспектра НЧ шума
1.5. Заключение к первой главе
2. Влияние БПФ на оценку спектра сигнала [77-84]
2.1. Точность цифровой оценки спектра
2.2. Оценка спектра оцифрованного сигнала
2.3. Спектр гармонического сигнала
2.4. Эффективная разрядность гармонического сигнала
2.5. Результаты численного моделирования
2.5.1. Эффективная разрядность гармонического сигнала
2.5.2. Разрядность весовых коэффициентов БПФ
2.5.3. Выбор оптимального типа БПФ
2.6. Выводы ко второй главе
3. Биспектр 1/Г шума [85-89]
3.1. Введение
3.2. Биспектр 1/Г шума в модели Халфорда
3.3. Биспектр 1/Г шума во вспомогательной модели пуассоновского процесса
3.4. Спектральные характеристики НЧ шума ваАв эпитаксиальных пленок
3.4.1. Спектр шума ваАБ пленок, определение количества подвижных дефектов
3.4.2. Биспектр НЧ шума ОаАБ пленок
3.4.3. Оценка статистической ошибки измерения биспектра
3.5. Выводы к третьей главе
4. НЧ шум в наноразмерных полупроводниковых структурах [

4.1. Введение. Структура светодиодов и лазеров
4.2. Модель полупроводникового диода: Ш шум и вольтамперная характеристика
4.3. Экспериментальные данные
4.3.1. Вольтамперная и ваттамперная характеристики
4.3.2. Токовые зависимости спектра 1/Т шумового напряжения
4.3.3. Спектры токового и оптического 1/Г шума лазерных диодов
4.3.4. Заключение
4.4. Тестирование методов исследования статистических свойств
НЧ шума
4.4.1. Осциллограмма, гистограмма, кумулянты и спектр шума лазера.
4.4.2. Погрешность измерения интенсивности фильтрованного шума
4.4.3. Корреляционный тест
4.4.4. Биспектр 1/Т шума
4.4.5. Заключение
4.5. Выводы к четвертой главе
Заключение
Приложение. Основные характеристики приборов измерительной
установки
Список литературы
Список условных обозначений
Введение
Одним из направлений современной радиофизики является исследование статистических характеристик шумов с целыо изучения свойств объектов - источников шумов. Такие исследования могут быть полезными при изучении различных процессов в веществе. Основные результаты, полученные на данном направлении науки в настоящее время, стали возможными благодаря появлению мощных вычислительных систем и цифровых методов, позволяющих анализировать необходимые статистические характеристики.
К наиболее часто встречающимся шумам относятся: тепловой; дробовой; генерационно-рекомбинационный шумы; шум, обусловленный температурными флуктуациями; а также фликкерный шум. Рассмотрим эти шумы несколько подробнее.
Тепловой шум вызывается случайным движением заряда в любом проводнике. Вследствие этого движения на концах проводника возникает флуктуирующая электродвижущая сила Г(/). Этот источник шума присутствует в любом устройстве, имеющем электрическую природу и находящемся в тепловом равновесии с окружающей средой, поддерживаемой при постоянной температуре Т.
Дробовой шум связан с дискретностью тока, представленного потоком заряженных частиц. Здесь шум рассматривается как последовательность независимых случайных событий. Например, в случае испускания электронов термокатодом или фотокатодом эмиссия электронов представляет собой последовательность независимых случайных событий. Следовательно, в эмиссионных токах наблюдается дробовой шум. В р-п переходах и транзисторах явления пересечения перехода носителями заряда (электронами или дырками) составляют последовательность независимых случайных событий, и флуктуации тока в этих приборах имеют в своем составе дробовой шум. Это также справедливо и для переходов между двумя энергетическими уровнями, например, при генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводнике или при испускании фотонов лазером. Для обследованных в работе полупроводниковых приборов мощность дробового шума на несколько порядков меньше мощности фликкерного.
Генерационно-рекомбинационный шум возникает, когда свободные носители генерируются или рекомбинируют в полупроводниковом материале. Флуктуирующие скорости генерации и рекомбинации могут рассматриваться как последовательности независимых случайно возникающих событий. Однако флуктуации концентрации носителей заряда 8п можно рассматривать так же, как причину возникновения флуктуаций сопротивления 5Я в полупроводнике. Флуктуации сопротивления могут быть обнаружены при прохождении постоянного тока через прибор, который на зажимах прибора создает флуктуирующую

4) измерение комплексного биспектра.
Данные методы имеют различную чувствительность к негауссовости шума. Гистограмма, моменты и кумулянты случайного процесса являются одномерными (одноточечными) характеристиками, которые могут показывать отклонение от гауссова процесса.
Спектр, являясь двухточечной характеристикой, характеризует линейную связь между отсчетами процесса. При исследовании спектра шума негауссовость не выявляется, так как гауссов процесс может иметь связи только не выше 1-го порядка. Спектральный подход используется для измерения статистических характеристик шума в этих методах, то есть используется при измерении интенсивности (мощности) шума на выходе фильтра, при измерении биспектра.
Биспектр характеризует связь второго порядка, связанную с несимметричностью распределения шума. Он определяет статистическую связь между тремя отсчетами шума и является Фурье-преобразованием кумулянтной функции третьего порядка. Данный метод исследования шума изложен отдельно в третьей главе диссертации.
Погрешность измерения интенсивности фильтрованного шума и корреляционный тест отражают связь третьего порядка, то есть связь между четырьмя отсчетами случайного процесса. Поскольку погрешность измерения фильтрованного шума определяется дисперсией оценки дисперсии шума, а коэффициент корреляции характеризует взаимную ковариационную функцию оценок дисперсии шума на выходах фильтра, то результаты исследования шума в данных методах определяются кумулянтной функцией четвертого порядка.
Предполагается, что источником 1/Г шума являются подвижные дефекты. В используемой здесь модели считается, что каждый дефект может находиться в одном из двух метастабильных состояний, то есть его энергетический профиль может быть представлен двухуровневой системой (ДУС). Переходы дефекта из одного состояния в другое происходят сколь угодно быстро и описываются случайным телеграфным процессом (СТП).
Поскольку в полупроводнике существует определенное количество дефектов, шум образуется суперпозицией (ансамблем) СТП. При небольшом количестве дефектов такой шум может быть негауссовым.
Изменение числа дефектов, а также их диффузия внутри образца могут привести к нестационарности шума, которая может быть исследована, например, при помощи измерения коэффициента корреляции между интенсивностями шума на выходах двух неперекрывающихся полосовых фильтров.
Изучение статистических характеристик фликкерного шума может дать дополнительную информацию о механизме его возникновения и свойствах полупроводников.