是德科技 CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 利用 B1500A 的 WGFMU 模组测量 RTS 噪声 应用指南
简介 随机电报信号 (RTS) 在 ±1 之间随机变动, 并且有数个零点, 在任意时间间隔内都能用泊松过程来描述 随机电报信号噪声 ( 也称突发或跳跃噪声 ) 具有 RTS 特征, 主要特点是作用在大的信号上附加低电平信号 在 CMOS 图像传感器 ( 也称有源像素传感器 ) 中,RTS 噪声会在本该是黑色的地方产生错误的白点 随着半导体元件的微型化,MOSFET 中随机电报信号噪声的影响越来越严重 至今,RTS 噪声测量由一系列用户自定义的元件组成, 常见的有 : 低噪声电源 变压器电流和示波器 ( 或电压表 ) 但是, 这些测量元件很难保证稳定和始终如一的测量结果 这主要是因为元件或整个系统的校准略显不足 另外, 由于元件的结构复杂性和单个元件中误差相累加的总误差, 多重元件中的随机噪声都很容易造成 RTS 测量错误 因此, 为了采集一致的 RTS 噪声数据, 我们提供了一个实时的 能确保 RTS 噪声处理规格的解决方案 B1530A 波形发生器 / 快速测量单元 (WGFMU), 是 B1500A 半导体元件分析仪中的一个模组 它有独立测量 RTS 噪声的能力, 不需要任何附加测量元件 WGFMU 模组的噪声不到 0.1mV (rms), 电流测量取样频率在 1 S/s 至 200 MS/s 之间, 带宽在 DC-16MHz 之间 B1500A 的 WGFMU 模组每个通道有 4M 的测量存储器, 因此它能测量的 RTS 噪声频率范围很大 此外, 为了让用户能立即分析 RTS 噪声,WGFMU 模组还提供了 RTS 噪声采样分析软件 本应用指南将介绍如何使用 B1500A 的 WGFMU 模组来测量 RTS 噪声, 并给出了一些实际测量范例
03 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 CMOS 图像传感器中的随机噪声 在当代的 CMOS 图像传感器中,RTS 噪声是噪声源中对像素影响 最大的噪声干扰 每个 CMOS 图像传感器都有一个读出放大器用 来放大从图像二极管获得的光电流信号 ( 参见图 1) 为了提高 像素密度, 我们必须缩小放大器并尽量增大光电二极管的尺寸, 从而提高信噪比 通过这些方法我们能减小 MOSFET 的尺寸, 从而让它对 RTS 噪声更加敏感 RTS 噪声的物理特性 Vdd Id MOSFET 中的 RTS 噪声可以理解为阈值电压的改变, 这有可能是 Amp 随机的, 也有可能是因为 MOSFET 中绝缘层间接收到的发射电子 ( 见图 2) PD 由于单个电子被俘获造成的 Vth 变化可以用方程式 1 来描述 q Vth = (1) L W Cox 图 1 放大电路中 RTS 噪声导致的像素偏差 这里 q 是电子电荷,L 是栅长,W 是栅宽,Cox 是栅电容 从方程式可以清楚地看出随着元件收缩 Vth 反而变大 由于发射电子的俘获可能是微秒 - 秒级别, 一些由 RTS 噪声造成的像素缺失可能会被肉眼观察到 利用 B1500A 的 WGFMU 模组测量 RTS 噪声 B1500A 的 WGFMU 模组噪声不到 0.1mV (rms), 电流测量取样频率在 1 S/s 至 200 MS/s 之间, 带宽在 DC-16MHz 之间 B1500A 的 WGFMU 模组每个通道有 4M 的测量存储器, 因此它能测量 1Hz 以下到多个 MHz 频率范围内的 RTS 噪声 Ef 图 2 能带转移电荷陷阱生成的 RTS 噪声
04 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 B1500A 的 WGFMU 解决方案由 WGFMU 模组和两个遥感器和开关装置 (RSU) 构成 WGFMU 模组安装在主机上, 它能生成任意波形, 并将这些波形通过电缆传送至 RSU RSU 执行实际电流或电压测量, 它独立于 WGFMU 模组, 因此可以将它放在被测元件 (DUT) 附近, 尽量减少电缆长度, 以确保精确的高速测量 由于每个 WGFMU 模组能支持两个 RSU, 因此只要将一个 RSU 接栅极, 另一个 RSU 接漏极, 就能用 WGFMU 模组测量 MOSFET 的 RTS 噪声了 这样的话, 衬底 ( 或基底 ) 和源极端子就应当连接到同轴电缆的外接地屏蔽上 ( 参见图 3) 一个 B1500A 主机最多可以安装 5 个 WGFMU 模组, 也就是说最多 10 个通道 RSU RSU 图 3 单个 B1500A WGFMU 模组构成的 RTS 噪声测量系统 B1500A 的 WGFMU 模组配有测量和分析 RTS 噪声的软件 ( 参见 图 4) 用户可以在该软件上利用 WGFMU 模组进行 RTS 噪声评估 图 5 是 WG FMU 和 RSU 的简单电路图 WGFMU 有任意线性波形发生器 (ALWG) 的电压产生能力, 事实上,ALWG 的波形产出量超过 RSU RSU 执行实际的电流和电压测量 WGFMU 有两种操作模式 :PG 模式和极速 IV 模式 PG 模式整合了极快速测量能力和 50 欧姆的的输出阻抗, 尽量减少波形反射 和 PG 模式相比, 快速 IV 模式的测量速度和波形上升 / 下降时间都略微慢一点, 但是它能测量电压和电流值 图 4 分析 RTS 噪声特性的抽样程序 50 Ω WGFMU 50 Ω V A RSU V 图 5 WGFMU 模组的简单电路图
05 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 B1500A 的 WGFMU 模组主要规格描述如下 电压供给 输出范围 : ±5 V 0 V ~+10 V 10 V ~ 0 V 噪声电平 : 不到 0.1mV (rms) 1 电流测量 测量范围 : ±10 ma 固定 ±1 ma 固定 ±100 μa 固定 ±10 μa 固定 ±1 μa 固定 测量分辨率 0.014% 范围 2 噪声电平 0.2% 范围 3 取样间隔 5ns 10 ns 至 1s 可变 硬件均值 10ns 至 20ms 可变 测量存储大小每通道约 4M 数据点 4 RTS 数据分析软件 该软件能对 B1500A 的 WGFMU 模组测量的漏极电流进行时域和频域分析, 并自动显示相关参数 直观时域数据和数字化数据 功率分布 电平柱状图和外观设计 捕获和发射时间柱状图及其比率 测量设备和环境噪声 如果测定的 RTS 噪声低于电流测量噪声电平, 那么就不会观察到 RTS 噪声 图 6 为 B1500A 的 WGFMU 模组在不同电流测量范围下的噪声电平要进行 RTS 噪声测量, 最重要的是要选择合适的测量范围 注 : 此为补充数据, 不可视为本模组规格的保证 此外, 其它环境因素, 如震动和电磁干扰都会影响 RTS 噪声测量 要消除震动带来的噪声, 可以使用带震动隔离的半自动晶圆探针台 要消除电磁干扰, 应尽量缩小电流测量回路 要缩短电流回路可以将 WGFMU 模组和 RSU 的电缆绑在一起, 也可以通过连接 MOSFET 衬底和源极板屏蔽栅极和漏极之间的信号线在被测元件的衬底创建电流回路 10-14 10-17 10-20 10 ma 1 ma 100 µa 1 µa 10 µa 10-23 1 1k 1M 图 6 WGFMU 模组不同电流测量范围下的噪声 实际测量操作 实现精确的 RTS 测量, 需要将被测元件的测量设备性能分析和环境噪声等因素考虑在内 在接下来的几节中, 我们将介绍如何缓解这些因素的影响 1 理论值 (100ns 至 1ms) 2 显示分辨率以校正结果为基准偏差不超过 5% 3 补充信息有效值, 不含 0V 至开路的均值 4 典型值
06 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 取样频率 通过测量均值能减少测量电流噪声 图 7 是通过均值降低噪声的实例 增加平均时间能进一步降低测量电流的噪声 但如果取样频率大于电子捕获或发射时间, 那么在被测量的电流中就不会观测到 RTS 噪声 使用较低的电流测量区间也可以降低测量电流的噪声 在这种情 10-6 10-9 10 ma 1 ma 100 µa 10 µa 况下, 电流测量的带宽决定 RTS 噪声频率成分的上限 1 µa 电流测量带宽 表 1 是个补充信息, 说明 B1500A 的 WGFMU 模组电流测量回路 ( 加载了 25pF) 的频带宽度 ( 由 -3dB 点确定 ) ( 注 : 实际带宽可能会因为额外布线和设备电容性负载而退化 ) 由于低电流区间的带宽低于高电流区间, 所以当你选择一个电流测量区间时, 一定要确保有足够的带宽来观测那些你想要测量到的 RTS 噪声 除测量设备外, 被测元件的特性也应在考虑范围内 10-9 10-6 10-3 图 7 以平均时间测量电流的噪声降低 表 1 测量范围 带宽 (-3 db) 10 ma ~16 MHz 1 ma ~8 MHz 100 µa ~2.4 MHz 10 µa ~600 khz 1 µa ~80 khz
07 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 测量条件 由于那些捕获电子和生成 RTS 噪声的边界陷阱有其空间和能量分布, 所以时间 常量和 ( 返回 )RTS 的噪声水平极大地取决于作用于 MOSFET 栅极和漏极的偏压 图 8 是加载不同栅极电压时的 RTS 噪声实例 上述例子采用的是大小为 0.44 μm (W) 至 0.24 μm (L) 氧化物浓度为 4nm 的 NMOS FET 从这个例子可以看到 RTS 噪声水平和时间常量及与栅极电压变动一 起产生变化的柱状图峰值数据 结果表明, 测量 RTS 噪声有必要在偏置条件 电流范围和取样频率多个组合条件下进行 这样测量所得的数据对配电和边界陷阱的时间常数才有价值 时域 x10-7 5.6 x10-6 x10-6 1.26 4.23 5.54 1.252 4.218 5.48 5.42 1.244 1.236 4.206 4.194 5.36 1.228 4.182 5.3 1.22 4.17 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 时间 ( 秒 ) 时间 ( 秒 ) 时间 ( 秒 ) 柱状图 1000 2000 2000 800 1600 1600 600 1200 1200 400 800 800 200 400 400 0 x10-7 0 x10-6 0 x10-6 5.3 5.36 5.42 5.48 5.54 5.6 1.23 1.236 1.242 1.248 1.254 1.26 4.23 4.17 4.182 4.194 4.206 4.218 Vg = 0.45 V Vg = 0.5 V Vg = 0.6 V 图 8 RTS 噪声作为栅极偏压的函数变化
08 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 晶圆分布 由于 MOSFET 非常微小, 根据晶圆上缺陷陷阱的分布和频率不同, 有些元件不 会出现 RTS 噪声, 而另一些则可以观察到明显的 RTS 噪声 有上述讨论说明有必要在晶圆级别测量多个设备, 以便观察 RTS 噪声 相反, 通过评估晶圆内 RTS 噪声的空间分布能推算出与设备操作直接相关的缺陷密度分布 结论 现代高分辨率 CMOS 图像传感器其每个像素读出放大器的 RTS 噪声分析, 对于尽量减少成像中的随机像素噪声来说非常重要 B1500A 之 WGFMU 模组的 MOSFET RTS 噪声测量是独立现成的噪声测量解决方案, 能在 CMOS 图形传感器中得到精准且可重复的 RTS 噪声分析 图 9 晶圆内的 RTS 噪声分布变化图
09 Keysight CMOS 图像传感器中的随机噪声特征分析 - 应用指南 mykeysight www.keysight.com/find/mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! www.axiestandard.org AdvancedTCA Extensions for Instrumentation and Test (AXIe) 是基于 AdvancedTCA 标准的一种开放标准, 将 AdvancedTCA 标准扩展到通用测试和半导体测试领域 是德科技是 AXIe 联盟的创始成员 www.lxistandard.org 局域网扩展仪器 (LXI) 将以太网和 Web 网络的强大优势引入测试系统中 是德是 LXI 联盟的创始成员 www.pxisa.org PCI 扩展仪器 (PXI) 模块化仪器提供坚固耐用 基于 PC 的高性能测量与自动化系统 3 年保修是德卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心 降低拥有成本 增强操作方便性 是德保证方案 www.keysight.com/find/assuranceplans 5 年的周密保护以及持续的巨大预算投入, 可确保您的仪器符合规范要求, 精确的测量让您可以继续高枕无忧 www.keysight.com/quality Keysight Electronic Measurement Group DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System 是德渠道合作伙伴 www.keysight.com/find/channelpartners 黄金搭档 : 是德的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美结合 www.keysight.com/find/powerofx 如欲获得是德科技的产品 应用和服务信息, 请与是德科技联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : www.keysight.com/find/contactus 请通过 Internet 电话 传真得到测试和测量帮助 热线电话 : 800-810-0189 400-810-0189 热线传真 : 800-820-2816 400-820-3863 是德科技 ( 中国 ) 有限公司地址 : 北京市朝阳区望京北路 3 号电话 : (010) 64397888 传真 : (010) 64390278 邮编 : 100102 上海分公司地址 : 上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 5 楼 16-19 楼电话 : (021) 36127688 传真 : (021) 36127188 邮编 : 200080 广州分公司地址 : 广州市天河北路 233 号中信广场 66 层 07-08 室电话 : (020) 38113988 传真 : (020) 86695074 邮编 : 510613 成都分公司地址 : 成都高新区南部园区天府四街 116 号电话 : (028) 83108888 传真 : (028) 85330830 邮编 : 610041 深圳分公司地址 : 深圳市福田中心区福华一路六号免税商务大厦 3 楼电话 : (0755) 83079588 传真 : (0755) 82763181 邮编 : 518048 西安分公司地址 : 西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 5/F 电话 : (029) 88867770 传真 : (029) 88861330 邮编 : 710068 是德科技香港有限公司地址 : 香港北角电气道 169 号 25 楼电话 : (852) 31977777 传真 : (852) 25069292 香港热线 : 800-938-693 香港传真 : (852) 25069233 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, 2014 出版号 : 5990-3705CHCN 原出版日期 : 2011 年 4 月新出版日期 : 2014 年 8 月 www.keysight.com