Record Details

Fundamental electrical noises and nondestructive testing of electronic devices

Dependability

View Archive Info
 
 
Field Value
 
Title Fundamental electrical noises and nondestructive testing of electronic devices
Фундаментальные электрические шумы и неразрушающий контроль электронных приборов
 
Creator B. Yakubovich I.; Saint Petersburg Institute of Nuclear Physics, National Research Center Kurchatov Institute
Б. Якубович И.; Петербургский институт ядерной физики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»
 
Subject noise;fluctuations;nondestructive testing;dependability;solid bodies;semiconductors;electronic devices
шумы;флуктуации;неразрушающий контроль;надежность;твердые тела;полупроводники;электронные приборы
 
Description Aim. The research of potential wide applications of electrical noises in nondestructive testing of electronic devices and theoretic justification of their use for such purposes. To that effect, fundamental electrical noises are examined and the types of those that in principle can be used for nondestructive testing are analyzed.Methods. The article contains theoretical research finding regarding fluctuation processes behind several types of electrical noise and degradation processes in electronic devices. The connection between the spectral properties of the fluctuations with the characteristics of the degradation processes in electronic devices is analyzed. On this basis, conclusions are made regarding the opportunities of using electrical noises for non-destructive testing of electronic devices. Electrical fluctuation phenomena caused by capture and emission of charge carriers by traps created by structural defects in the solid body structure. The processes of capture and emission of charge carriers by traps are a fundamental cause of the following fundamental types of electrical noise: excess, generationrecombination and burst. Various types of noise significantly differ in terms of the parameters and statistical properties of fluctuation processes. That is the reason for the analysis of electrical fluctuations caused by traps in order to provide a sufficiently general description of such fluctuation phenomena. The work resulted in a rigorous description of the electrical fluctuations caused by traps. A general expression for the fluctuation spectrum was calculated. In special cases, from it we can pass to the spectrums of excess, generation-recombination and bursts noises. The findings regarding the electric fluctuations causes by traps can be used for identification of spectral properties of fluctuations in solid materials and solid-state electronic devices. A rigorous quantitative analysis was made of the degradation processes that occur in solid-state electronic devices in order to establish associations between the spectral characteristics of noises caused by capture and emission of charge carriers by structural defects with the degree of materials defectiveness in order to be able to better exploit the noises in the evaluation of the quality and dependability of electronic devices. It was established that the noise spectral density is associated with the degree and rate of the structure’s degradation. Thus, noises in electronic devices contain information on the degree and rate of degradation. The following practical conclusions were made. The noise spectral density is associated with the number of defects in the device at the baseline, as well as the rate of defect formation and, consequently, the ageing rate of the electronic device. Therefore, noise contains information on the quality of the manufactured device and its characteristics change rate. Accordingly, the noise spectrum can be used in evaluation of an electronic device’s deficiencies, both those occurring during the manufacturing process, and those that manifest themselves in operation.Conclusions. The paper substantiates the potential wide applications of electrical noises in non-destructive testing of electronic devices, shows the feasibility of using fundamental types of electrical noises for the above purposes. The rigorous substantiation of the use of electrical noises for nondestructive testing of electronic devices, feasibility of evaluation of the devices’ defects caused by various factors, use of common frequently prevailing types of noise, high sensitivity of fluctuation spectroscopy highlight the efficiency of electrical noise in nondestructive testing of electronic devices.
Цель. Исследование возможностей широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов и теоретическое обоснование использования электрических шумов в этих целях. Для этого рассматриваются фундаментальные электрические шумы и анализируются те их типы, которые принципиально могут быть использованы для неразрушающего контроля.Методы. Теоретически исследованы флуктуационные процессы, лежащие в основе нескольких типов электрических шумов, и деградационные процессы в электронных приборах. Проанализирована связь спектральных свойств флуктуаций с характеристиками деградационных процессов в электронных приборах. На основании этого сделаны выводы о возможностях применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. Рассмотрены электрические флуктуационные явления, вызванные захватом и эмиссией носителей заряда ловушками, образованными дефектами структуры твердых тел. Процессы захвата и эмиссии носителей ловушками являются основополагающей причиной следующих фундаментальных типов электрических шумов: избыточного, генерационно-рекомбинационного и взрывного. При этом имеются существенные различия по параметрам и статистическим свойствам флуктуационных процессов для разных типов шумов. В связи с этим анализировались электрические флуктуации, вызванные ловушками, с целью дать достаточно общее описание таких флуктуационных явлений. В результате дано строгое описание электрических флуктуаций, вызванных ловушками. Вычислено выражение общего вида для спектра флуктуаций. От него можно перейти в частных случаях к спектрам избыточного, геннерационно-рекомбинационного и взрывного шумов. Результаты изучения электрических флуктуаций, вызванных ловушками, могут быть применены для определения спектральных свойств флуктуаций твердых материалов и электронных устройств на их осно- ве. Проведен строгий количественный анализ деградационных процессов, протекающих в электронных приборах на основе твердых материалов, в целях связать спектральные характеристики шумов, вызванных захватом и эмиссией носителей дефектами структуры, со степенью дефектности материалов для развития возможностей использования шумов для оценки качества и надежности электронных приборов. Установлено: спектральная плотность шума связана со степенью и со скоростью деградации структуры. Таким образом, шумы в электронных приборах содержат информацию о степени и скорости деградации. Сделаны следующие практические выводы. Спектральная плотность шума связана с числом дефектов в приборе в начальный момент и связана со скоростью образования дефектов и, следовательно, со скоростью старения электронного прибора. Таким образом, шум содержит информацию о качестве изготовленного прибора и о скорости изменения эксплуатационных характеристик прибора. Следовательно, по спектру шума можно оценить недостатки качества электронного прибора, как возникающие в процессе изготовления, так и проявляющиеся в процессе эксплуатации.Выводы. В итоге работы обоснованы возможности широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, показана возможность использования фундаментальных типов электрических шумов для этих целей. Строгое обоснование применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, возможность оценки недостатков качества приборов, вызванных различными причинами, использование широко распространенных и часто преобладающих типов шумов, высокая чувствительность флуктуационной спектроскопии указывают на эффективность применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. 
 
Publisher LLC Journal Dependability
 
Contributor —
—
 
Date 2017-06-15
 
Type info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
—
—
 
Format application/pdf
application/pdf
 
Identifier http://www.dependability.ru/jour/article/view/211
10.21683/1729-2646-2017-17-2-31-35
 
Source Dependability; Том 17, № 2 (2017); 31-35
Надежность; Том 17, № 2 (2017); 31-35
2500-3909
1729-2646
10.21683/1729-2646-2017-17-2
 
Language rus
eng
 
Relation http://www.dependability.ru/jour/article/view/211/383
http://www.dependability.ru/jour/article/view/211/384
Jones B.K. Electrical noise as a measure of quality and reliability in electronic devices // Adv. Electron. Electron. Phys. 1993. V. 87, P. 201-257.
Якубович Б.И. Электрический шум и дефекты структуры твердых тел. Germany: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 116 с.
Kirton M.J., Uren M.J. Noise in solid-state microstructures: A new perspective on individual defects, interface states and low-frequency (1/f) noise // J. Adv. Phys. 1989. V. 38, N. 4. P. 367-468.
Fleetwood D.M. 1/f noise and defects in microelectronic materials and devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62, N. 4. P. 1462-1486.
Якубович Б.И. Электрические флуктуации в твердых телах. Germany: AV Akademikerverlag, 2013. 212 с.
Малахов А.Н. К вопросу о спектре фликкер-шума // Радиотехника и электроника. 1959. Т.4 , № 1. С. 54-62.
Якубович Б.И. Электрические флуктуации в неметаллах. СПб.: Энергоатомиздат, 1999. 208 с.
Якубович Б.И. О природе избыточного низкочастотного шума (обзор) // Успехи прикладной физики. 2016. Т.4, №2. С. 127-138.
Mitin V., Reggiani L., Varani L. Generationrecombination noise in semiconductors // Noise and fluctuations control in electronic devices (Ed. A. Balandin). California: American scientific publishers, 2002. P. 11-29.
Якубович Б.И. Генерационно-рекомбинационный шум в полупроводниках // Научное приборостроение. 2013. Т.23, №4 С.50-53.
Kleinpenning T.G.M. On 1/f noise and random telegraph noise in very small electronic devices // Physica B. 1990. V.164, N. 3. P. 331-334.
Феллер В. Теория вероятностей и ее приложения. – Т.1. М.: Мир, 1984. 528 с.
 
Rights Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим:Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договорённости, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).