Б.И. Якубович – к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник,
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова
Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» E-mail: yakubovich_bi@pnpi.nrcki.ru

Постановка проблемы. Усложнение электронной аппаратуры, увеличение ее функциональной значимости повышают требования к качеству и надежности электронных приборов. В связи с этим необходимо развивать и совершенствовать неразрушающий контроль электронных приборов. Для этой цели могут быть использованы электрические флуктуационные явления. Электрические шумы нескольких типов, в том числе имеющие фундаментальное происхождение, связаны с дефектами структуры твердых тел. Очевидно, что спектральные характеристики шумов могут содержать информацию о степени дефектности твердых тел и, следовательно, о качестве электронных приборов на их основе. Поэтому целесообразно подробно изучить возможность применения электрических флуктуаций для неразрушающего контроля электронных приборов.
Цель работы. Сделать обзор исследований электрических флуктуаций в твердых телах и электронных приборах. Рассмотреть влияние дефектов структуры твердых тел на формирование электрических флуктуаций. Выяснить связь спектральных характеристик электрических флуктуаций с качеством и надежностью электронных приборов. На основании этого сделать выводы о возможностях применения электрических флуктуаций для неразрушающего контроля электронных приборов.
Результаты. Рассмотрены электрические флуктуации в твердых телах и электронных приборах. Проанализирована их связь с дефектами структуры твердых тел и с качеством и надежностью электронных приборов. Основное внимание уделено избыточному низкочастотному шуму, который наиболее важен в этом отношении. Показано, что для наиболее значительных теоретических моделей избыточного шума в полупроводниках и металлах спектральная плотность шума непосредственно связана с количеством дефектов в материалах. Установлена связь избыточного шума с деградационными процессами в электронных приборах. Приведено большое число экспериментальных результатов, показывающих связь избыточного шума с дефектами структуры твердых тел и с качеством и надежностью электронных приборов. Обоснованы широкие возможности применения электрических флуктуаций для неразрушающего контроля электронных приборов.
Практическая значимость. Показана возможность применения электрических флуктуаций для неразрушающего контроля твердотельных электронных приборов различных типов. Неразрушающий контроль, основанный на анализе электрических флуктуаций, широко применим и высокоэффективен. Его применение может способствовать значительному повышению качества и надежности электронных приборов.

Якубович Б.И. Электрические флуктуации и неразрушающий контроль электронных приборов (обзор) // Электромагнитные волны и электронные системы. 2020. Т. 25. № 3. С. 65−80. DOI: 10.18127/j15604128-202003-07.

1. 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 // Adv. Phys. 1989. V. 38. P. 367.
2. Jones B.K. Electrical noise as a measure of quality and reliability in electronic devices // Adv. Electron. Electron. Phys. 1993. V. 87. P. 201.
3. Van der Ziel A. Noise in solid state devices and circuits. New York: Wiley. 1986. 306 p.
4. Букингем M. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир. 1986. 398 с.
5. Коган Ш.М. Электронный шум и флуктуации в твердых телах. М.: Физматлит. 2009. 366 с.
6. Bonani F., Chione G. Noise in semiconductor devices, modeling and simulation. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 212 p.
7. Якубович Б.И. Электрические флуктуации в неметаллах. СПб.: Энергоатомиздат. 1999. 208 с.
8. Якубович Б.И. Электрический шум и дефекты структуры твердых тел. Germany: LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 116 с.
9. Якубович Б.И. Электрические флуктуации в твердых телах. Germany: AV Akademikerverlag. 2013. 212 с.
10. Якубович Б.И. Электрические флуктуационные явления в твердых телах. Riga: SIA OmniScriptum Publishing. 2018. 264 с.
11. Якубович Б.И. О природе избыточного низкочастотного шума (обзор) // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4. С. 127.
12. Shottky W. Small-shot effect and flicker effect // Phys. Rev. 1926. V. 28. P. 74.
13. Macfarlane G.G. A theory of flicker noise in valves and impurity semi-conductor // Proc. Phys. Soc. B. 1947. V. 59. P. 366.
14. Мак-Уортер А. Физика поверхности полупроводников. М.: Иностранная литература. 1959. С. 263.
15. Якубович Б.И. Электрический низкочастотный шум в полупроводниках // Электромагнитные волны и электронные системы. 2011. Т. 16. С. 12.
16. Якубович Б.И. Электрический низкочастотный шум и дефекты структуры твердых тел // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1. С. 259.
17. Дьяконова Н.В., Левинштейн М.Е. Модель объемного шума 1/f в полупроводниках // ФТП. 1989. Т. 23. С. 283.
18. Коган Ш.М., Шкловский Б.И. Избыточный низкочастотный шум при прыжковой проводимости // ФТП. 1981. Т. 15. С. 1049.
19. Celasco M., Fiorillo F., Mazzetti P. Thermal-equilibrium properties of vacfncies in metals through current-noise mesearements // Phys. Rev. Lett. 1976. V. 36. P. 38.
20. Коган Ш.М., Нагаев К.Э. Низкочастотный токовый шум в твердых телах и внутреннее трение // ФТТ. 1982. Т. 24. С. 3381.
21. Малахов А.Н., Якимов А.В. К вопросу о природе фликкерных флуктуаций // Радиотехника и электроника. 1974. Т. 19. С. 2436.
22. Врачев А.С. О термодинамическом подходе к проблеме низкочастотного шума // Радиофизика. 1980. Т. 23. С. 1470.
23. Якубович Б.И. Электрические флуктуации и деградационные процессы в полупроводниках // Ядерные измерительноинформационные технологии. 2014. Т. 49. С. 92.
24. Brophy J.J. Excess noise in deformed germanium // J. Appl. Phys. 1956. V. 27. P. 1383.
25. Brophy J.J. Excess noise in n-type germanium // Phys. Rev. 1957. V. 106. P. 675.
26. Bess L.J. Relative influence of majority and minority carriers on excess noise in semiconductor filaments // Appl. Phys. 1955. V. 26. P. 1377.
27. Fleetwood D.M., Giordano N. Effect of strain on the 1/f noise of metal films // Phys. Rev. B. 1983. V. 28. P. 3625.
28. Жигальский Г.П. Шум вида 1/f и нелинейные эффекты в тонких металлических пленках // УФН. 1997. Т. 167. С. 623.
29. Жигальский Г.П., Бакши И.С. Избыточный шум в тонких алюминиевых пленках // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25. С. 771.
30. Андрушко А.Ф., Бакши И.С., Жигальский Г.П. Влияние структурных факторов на 1/f шум тонких алюминиевых пленок // Радиофизика. 1981. Т. 24. С. 498.
31. Жигальский Г.П., Куров Г.А., Сиранашвили И.Ш. Избыточный шум и механические напряжения в тонких пленках хрома // Радиофизика. 1983. Т. 26. С. 207.
32. Zhigalskii G.P. Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». New York. 1993. P. 81.
33. Zhigalskii G.P. Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». Kyoto. 1991. P. 39.
34. Eberhard J.W., Horn P.M. Temperature Dependence of 1/f noise in silver copper // Phys. Rev. Lett. 1977. V. 39. P. 643.
35. Potemkin V.V. et al. // Proc. Sci. Conf. «Fluctuation Phenomena in Physical Systems». Palanga. 1991. P. 79.
36. Жигальский Г.П., Федоров А.С. Влияние формирования и геометрических факторов на фликкерный шум в хромовых пленках // Радиофизика. 1985. Т. 28. С. 1192.
37. Brigman J. et. al. // Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». New York. 1993. P. 607.
38. Dagge K. et. al. // Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». Singapore. 1995. P. 603.
     
39. Fleetwood D.M., Giordano N. Direct link between 1/f noise and defects in metal films // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. P. 1157.
40. Scofield J.H., Mantese J.V. 1/f noise of metals: a case for extrinsic origin // Phys. Rev. B. 1985. V. 32. P. 736.
41. Pelz J., Clarce J. Quantitative «lokal-interference» model for 1/f noise in metal films // Phys. Rev. B. 1987. V. 36. P. 4479.
42. Potemkin V.V. et al. // Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». New York. 1993. P. 61.
43. Yu K.K., Jordan A.G., Louqini R.L. Relations between electrical noise and dislocations in silicon // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P. 572.
44. Светличный А.М., Коледов Л.А., Зотов В.В. и др. Спектр шума кремния с дислокациями // ФТП. 1980. Т. 14. С. 582.
45. Vandamme L.K.J., Osterhof S. Annealing of ionimplanted resistors reduces the 1/f noise // J. Appl. Phys. 1988. V. 59. P. 3169.
46. Clevers R.H.M. 1/f noise in ionimplanted resistors between 77 and 300 // J. Appl. Phys. 1987. V. 62. P. 1877.
47. Киреев О.А., Лебедев Ю.Н., Мустина Н.И. и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1986. № 1. С. 66.
48. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1982. 240 с.
49. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука. 1983. 280 с.
50. Дьяконова Н.В., Левинштейн М.Е., Румянцев С.Л. Природа объемного 1/f-шума в GaAs и Si // ФТП. 1991. Т. 25. С. 2065.
51. Гук Е.Г., Дьяконова Н.В., Левинштейн М.Е. и др. Эффект немонотонной зависимости 1/f шума от интенсивности подсветки в Si и модель объемного 1/f шума в полупроводниках // ФТП. 1990. Т. 24. С. 813.
52. Вайнштейн С.Н., Левинштейн М.Е., Румянцев С.Л. Перестройка светом шума 1/f в арсениде галлия // Письма ЖТФ. 1987. Т. 13. С. 645.
53. Власенко А.И., Гнатюк В.А., Копишинская Е.П. и др. Влияние лазерного облучения на фотопроводимость и шумы в монокристаллах n-CdxHg1-xTe // ФТП. 1997. Т. 31. С. 820.
54. Бакши И.С., Гринь В.Ф., Карачевцева Л.А. и др. Влияние дефектов структуры на интенсивность 1/f шума в n-CdxHg1-xTe // ФТП. 1989. Т. 23. С. 571.
55. Marle T.G., Bess L., Gebbie H.A. Variation of noise with ambient in germanium filaments // J. Appl. Phys. 1955. V. 26. P. 490.
56. Ван дер Зил А. Флуктуационные явления в полупроводниках. М.: ИЛ. 1961. 232 с.
57. Нарышкин А.К., Врачев А.С. Теория низкочастотных шумов. М.: Энергия. 1972. 152 с.
58. Афанасьев В.Ф. Влияние дислокаций на избыточный шум поверхностно-барьерных золото-кремниевых переходов // ФТП. 1970. Т. 4. С. 125.
59. Fleetwood D.M. 1/f noise and defects in microelectronic materials and devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2015. V. 62. P. 1462.
60. Капшин Ю.С., Носкин В.А., Якубович Б.И. и др. Исследование связи спектральных характеристик фликкерных флуктуаций проводимости с деградационными процессами в конденсаторе. Л. 1983. 12 с. (Препринт ЛИЯФ; № 884).
61. Капшин Ю.С., Носкин В.А., Якубович Б.И. Избыточный низкочастотный шум конденсаторных систем // Радиофизика. 1984. Т. 27. С. 1208.
62. Капшин Ю.С., Носкин В.А., Якубович Б.И. Об искусственном стимулировании избыточного низкочастотного шума // Письма ЖТФ. 1984. Т. 10. С. 1057.
63. Якубович Б.И. Исследования некоторых свойств избыточного низкочастотного шума конденсаторных систем. Л.: 1986. 11 с. (Препринт ЛИЯФ; № 1231).
64. Лазебник И.М., Якубович Б.И. Исследования влияния внешних воздействий на свойства избыточного низкочастотного шума // Радиофизика. 1988. Т. 31. С. 1533.
65. Якубович Б.И. // Диэлектрики и полупроводники. 1990. В. 38. С. 32.
66. Lindeman W., van der Ziel A. On the flicker noise caused by an interface layer // J. Appl. Phys. 1952. V. 23. P. 1410.
67. Малахов А.Н. К вопросу о спектре фликкер-шума // Радиотехника и электроника. 1959. Т. 4. С. 54.
68. Таратута А.С. Метод прогнозирования срока службы полупроводниковых приборов // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10. С. 2257.
69. Баздырев Г.В. Оценка качества транзисторных устройств с помощью шумовых параметров // Промышленность Белоруссии. 1967. № 2 (105). С. 49.
70. Van der Ziel A., Tong H. Low-frequency noise predicts then a transistor will fall // Electronics. 1966. V. 39. P. 95.
71. Пряников В.С. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. 1978. 112 с.
72. Надежность электронных элементов и систем / Под ред. Х. Шнайдера. М.: Мир. 1977. 258 с.
73. Гарбар Н.П., Лукьянчикова Н.Б., Лисянский М.И. и др. Деградация и шум GaAs-туннельных диодов и их связь с технологией приготовления приборов // Письма ЖТФ. 1982. Т. 8. С. 1417.
74. Hoffman K., Erb H.J., Roder H. Ein neues verfahren der zuverlassigkeitsanalyse fur halbleiter-bauteile // Frequenz. 1976. V. 30. P. 19.
75. Crzybowski B., Konczakowska A., Spiralski L. // Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems». Singapore. 1987. P. 485.
76. Zhyang Y., Sun Q. // Proc. IEEE. Int. Reliab. Phys. Symp. 1990. P. 290.
77. Konczakowska A. // Proc. Int. Conf. «Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations». New York. 1993. P. 260.
78. Scofield J.H., Doerr T.P., Fleetwood D.M. Correlation between preirradiation 1/f noise and postirradiation oxide-trapped charge in MOS transistors // IEEE Trans. NS. 1989. V. 36. P. 1946.
79. Scofield J.H., Fleetwood D.M. Physical basis for nondestructive tests of MOS radiation hardness // IEEE Trans. NS. 1991. V. 38. P. 1567.
80. Scofield J.H., Mantese J.V., Webb W.W. Temperature dependence of noise processes in metals // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. P. 723.
81. Saveli M., Lecoy G., Dinet D. et. al. AET Conf. Session. 1984. V. 4. P. 1.
82. Stegherr M. Flicker noise in hot electron degraded short channel MOSFETs // Solid State Electron. 1984. V. 27. P. 1055.
83. Fang Z.H., Christoloveanu S., Chovet A. Analysis of hot-carrier-induced aging from 1/f noise in short-channel MOSFETs // IEEE Electron Device Lett. 1986. V. 7. P. 371.
84. Fleetwood D.M., Scofield J.H. Evidence that similar point defects cause 1/f noise and radiation-induced-hole trapping in metaloxide-semiconductor transistors // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64. P. 579.
85. Meisenheimer T.L., Fleetwood D.M. Effect of radiation-induced charge on 1/f noise in MOS devices // IEEE Trans. NS. 1990. V. 37. P. 1696.
86. Auqier P., Todsen J.L., Zupac D. et al. Comparison of 1/f noise in irradiated power MOSFETs measured in the linear and saturation regimes // IEEE Trans. NS. 1992. V. 39. P. 2012.
87. Cheng C.H., Surya C. The effect of hot-electron injection on the properties of flicker noise in n-channel MOSFETs // Solid State Electron. 1993. V. 36. P. 475.
88. Tsai H., Ma T.P. 1/f noise in hot-carrier damaged MOSFET’s: effects of oxide charge and interface traps // IEEE Electron Device Lett. 1993. V. 14. P. 256.
89. Simoen E., Dierickx B., Claeys C. Low-frequency noise behavior of Si NMOSTs stressed at 4.2 K // IEEE Trans. Electron Devices. 1993. V. 40. P. 1296.
90. Hsu J.T., Li X., Viswanathan C.R. Low frequency noise in short-channel MOSFET’s degraded by Fowler-Nordheim and Hot-Carrier Injection // Microelectronic Engineering. 1993. V. 22. P. 285.
91. Gupta M.S. Applications of electrical noise // Proc. IEEE. 1975. V. 63. P. 966.
92. Бердичевский Б.Е., Дубицкий Л.Г., Сушинцев Г.М. и др. Неразрушающий контроль элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры / Под ред. Б.Е. Бердичевского. М.: Сов. радио. 1976. 296 с.
93. Капшин Ю.С., Носкин В.А., Якубович Б.И. и др. Исследование аномального поведения избыточного низкочастотного шума // ЖТФ. 1986. Т. 56. С. 1187.
94. Сыноров В.Ф., Пивоварова Р.П., Петров Б.К. и др. Физические основы надежности интегральных схем / Под ред. Ю.Г. Миллера. М.: Сов. радио. 1976. 320 с.
95. Острова С.О., Приставка И.С. Прогнозирование отказов по шумам мерцания микропленочных сопротивлений при климатических воздействиях // Изв. ЛЭТИ. 1968. В. 67. С. 138.
96. Потемкин В.В., Бакши И.С., Жигальский Г.П. Электрофлуктуационная диагностика материалов и изделий электронной техники. М.: Изд-во ЦНИИИТЭИ. 1981. С. 52.
97. Neri B., Diligenti A., Bagnoli P. Electromigration and low-frequency resistance fluctuations in aluminum thin-film interconnections // IEEE Trans. Electron Devices. 1987. V. 34. P. 2317.
98. Schwarz J.A. et. al. Grain size dependence of 1/f noise in Al-Cu thin-film interconnections // J. Appl. Phys. 1991. V. 70. P. 1561.
99. Neri B., Ciofi C., Dattilo V. Noise and fluctuations in submicrometric Al-Si interconnect lines // IEEE Trans. Electron Devices. 1997. V. 44. P. 1454.
100. Chen T.M., Djeu T.P., Moore R.D. // Proc. Reliability Physics. Symp. Orlando. 1985. P. 87.
101. Жигальский Г.П. Неравновесный 1/f γ-шум в проводящих пленках и контактах // УФН. 2003. Т. 173. С. 465.
102. Якубович Б.И. Электрические флуктуации и дефекты структуры твердых тел (обзор) // Прикладная физика и математика. 2019. № 8. С. 3.