Rauschparameter bei Halbleiterkomponenten schnell und reproduzierbar messen

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Der Entwurf rauscharmer Bauteile und was zu beachten ist

Beim Entwurf rauscharmer Bauteile wie CMOS oder LNAs entsprechen die Werte der Quellimpedanzen, die eine minimale Rauschzahl ergeben, nicht unbedingt den Werten der Quellimpedanzen, bei der die Verstärkung des Messobjekts maximal ist. Deshalb wird neben den vier Rauschparametern oft noch die verfügbare Verstärkung bei Rauschanpassung ermittelt. Sie berechnet sich aus den S-Parametern und der Quellenimpedanz (Reflexionsfaktor).

Die Rauschparameter eines Zwei-Tor-Systems bestimmen sich dadurch, dass zwischen die Rauschquelle und das Messobjekt ein Impedanztuner eingesetzt wird. Damit ist eine variable Quellenimpedanz garantiert, die durch eine entsprechende Anpassung die minimale Rauschzahl ergeben soll. Mit einem dedizierten Rauschzahlanalysator oder einem Spektrumanalysator misst man die Rauschleistung am Ausgang des Messobjektes. Dabei wird bei mehreren Quellenimpedanzen die Rauschleistung am Ausgang des Messobjekts gemessen und die Rauschparameter aus Formel 3 gefittet. Aus der Formel 3 ist ersichtlich, dass man mindestens vier Rauschzahlmessungen bei unterschiedlichen Quellimpedanzen benötigt, um die vier Rauschparameter zu ermitteln. Für eine erhöhte Messgenauigkeit ist aber eine größere Anzahl an Durchgängen nötig.

Bei einem typischen Messablauf werden pro Frequenz 10 bis 20 Quellenimpedanzen mit Hilfe des Tuners eingestellt. Der Entwickler misst die Rauschausgangsleistung und berechnet die Rauschparameter. Problematisch ist, dass die Kontakte bei On-Wafer-Messungen stabil sein müssen. Auch die Temperaturveränderung im Messraum ist problematisch. Viele Anschlüsse und Komponenten verursachen Ungenauigkeiten im Messsystem, die aufwendig kalibriert werden müssen. Jeder Messempfänger oder Signalanalysator erzeugt selbst ein gewisses Eigenrauschen. Es beeinflusst den gesamten Betrag der Rauschleistung einer Messkette. Als notwendige Korrektur wird deshalb das Rauschen der Zweiten Stufe subtrahiert.

Ein Messaufbau für die Rauschparameter

Ein Beispiel für ein Rauschmesssystem ist der PNA-X-Netzwerkanalysator von Keyisght bis 67 GHz. Mit der Option 029 (Source-Corrected Noise Figure Measurements) lässt sich das Messgerät aufrüsten: Neben dem herkömmlichen Messempfänger für S-Parameter verfügt es über einen speziellen Messempfänger mit kleiner Rauschzahl und hoher Empfindlichkeit. Somit lassen sich S-Parameter bis 67 GHz und Rauschen bis 50 GHz messen. Zur Streu- und Rauschparametercharakterisierung wird das Messobjekt auf dem Wafer über Messspitzen mit Koaxialanschluss direkt mit dem Messaufbau verbunden. Die Strom- und Spannungsversorgung für das Messobjekt wird über zwei Bias-T_s realisiert.

Für Bauelemente mit einer Rauschzahl <1 dB und höheren Frequenzen kann in der Rauschmessungskonfiguration ein rauscharmer Breitbandverstärker (LNA) zwischen den DUT und den Rauschempfänger (PNA-X) geschaltet werden. Da FET- oder CMOS-Bauelemente typ. Werte für Γ_opt aufweisen, die weit vom Mittelpunkt des Smith Charts (Anpassung 50 Ohm) sein können, müssen die eingesetzten Komponenten extrem verlustarm und alle Kabel oder Anschlüsse kurz sein.

Die Impedanztuner von Maury Microwave (Slide-Screw Tuner) verwenden die Slab-Line. Das ist eine offene Übertragungsleitung, die aus einem Innenleiter und zwei parallelen Metallplatten als Außenleitung umgeben ist, sowie eine metallische Reflektorsonde. Diese wird in die Übertragungsleitung eingeführt. Der Betrag des Reflektionskoeffizienten ändert sich mit der Änderung des Abstands zwischen Probenende des Tuners und Innenleitung des Tuners, während die Phase des Reflektionskoeffizienten durch die Verschiebung der Tunerprobe entlang der Leitung eingestellt wird.

Durch die reduzierte Anzahl der langsamen Tunerbewegungen und die schnelle Frequenzdurchlauffähigkeit des PNA-X wird die Messzeit im Vergleich zu konventionellen Methoden um den Faktor 200 kürzer. Mit einem rechnergesteuerten Tuner-System lassen sich Rauschparameter zwischen 8 und 50 GHz messen und aufzeichnen. Um auf tiefere Frequenzen zu gelangen, sollte der Nutzer den Tuner austauschen. Damit sind Messungen von 0,8 bis 8 GHz möglich.

Referenzen

[1] Agilent Technologies App. Note „Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements“.

[2] Keysight Technologies App. Note „High-Accuracy Noise Figure Measurements Using the PNA-X Series Network Analyzer“.

[3] Maury Microwave & Agilent Technologies Web-Ex. “New Ultra-Fast Noise Parameter System – Opening a New Realm of Possibilities in Noise Characterization”.

[4] Maury Microwave App. Note “A New Noise Parameter Measurement Method Results in More than 100x Speed Improvement and Enhanced Measurement Accuracy”

* Dr. Gabriel Loata ist Vertriebsspezialist bei bsw TestSystems & Consulting in Sindelfingen.

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