Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 10 · SOLID STATE ELECTRONICS

Investigation of the applicability of electrical conductivity models to the analysis of low-frequency noise

V.A. Sokurenko1, Y.V. Sakharov1, P.E. Troyan1

1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.10.2 UDC 53.097 EDN EWJIGP

Abstract

Low-frequency noise is a fundamental phenomenon in electronic components and can serve as a highly sensitive diagnostic parameter for predicting device degradation. Carbon-based thick-film resistors exhibit pronounced noise characteristics, making them promising objects for studying charge transport mechanisms. The aim of this work is to correlate the current-voltage characteristics (I-V curves) and the low-frequency noise I-V characteristics to identify charge transport mechanisms. Carbon-containing thick-film resistors with a polymer binder were investigated. A comparison of the I-V curves and the I-V characteristics of low-frequency current noise was carried out in the frequency range of 0,5-10 Hz at temperatures of 25, 45, and 65 °C. The experimental data were analyzed in coordinate systems corresponding to the Schottky, Poole-Frenkel, and tunneling models (direct and thermally assisted tunneling, trap-assisted emission, Fowler-Nordheim tunneling). For the Schottky and Poole-Frenkel mechanisms, a high correlation between the I-V and noise I-V characteristics was observed, with an approximation reliability of R² > 0.98. In the case of tunneling models, deviations from linearity were observed in the low-voltage region, while at voltages above 2 V the dependencies became more linear, confirming the dominance of tunneling processes. It is shown that the analysis of noise characteristics can serve as a reliable tool for verifying electrical conduction mechanisms and can be applied to diagnose structural and energetic parameters of composite resistive materials.

  • low-frequency noise
  • I-V characteristics
  • Schottky mechanism
  • Poole-Frenkel mechanism
  • tunneling
  • barrier
  • verification
Аннотация (на русском)

Исследование применимости моделей электропроводности к анализу низкочастотного шума

Низкочастотный шум является фундаментальным явлением для электронных компонентов и может использоваться как высокочувствительный диагностический параметр при прогнозировании деградации устройств. Толстопленочные резисторы на основе углерода обладают выраженными шумовыми характеристиками, что делает их перспективными объектами для изучения механизмов электропроводности. Целью работы является сопоставление вольт-амперных характеристик (ВАХ) и ВАХ низкочастотного шума для идентификации механизмов переноса заряда. Исследованы углеродсодержащие толстопленочные резисторы с полимерным наполнителем. Проведено сопоставление ВАХ и ВАХ низкочастотного тока шума в диапазоне частот 0,5-10 Гц при температурах 25, 45 и 65 °C. Экспериментальные данные анализировались в координатах, соответствующих механизмам Шоттки, Пула-Френкеля и туннельным моделям (прямое и термически облегченное туннелирование, эмиссия с ловушек, Фаулер-Нордгейма). Для механизмов Шоттки и Пула-Френкеля зафиксирована высокая корреляция между ВАХ и ВАХ шума с достоверностью аппроксимации R² > 0,98. В случае туннельных моделей наблюдались отклонения от линейности в низковольтной области, при напряжениях выше 2 В, зависимости выпрямлялись, что подтверждает доминирование процессов туннелирования. Показано, что анализ шумовых характеристик может служить надежным инструментом верификации механизмов электропроводности и применяться для диагностики структурных и энергетических параметров композитных резистивных материалов.

For citation

Sokurenko V.A., Sakharov Y.V., Troyan P.E. Investigation of the applicability of electrical conductivity models to the analysis of low-frequency noise // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.10.2

References

  1. Vandamme L. K. J. Noise as a diagnostic tool for quality and reliability of electronic devices //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2002. - Т. 41. - №. 11. - С. 2176-2187.
  2. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. - 1986.
  3. Snow E. S. et al. 1∕ f noise in single-walled carbon nanotube devices //Applied Physics Letters. - 2004. - Т. 85. - №. 18. - С. 4172-4174.
  4. Gupta A. K., Sen A. K. Nonlinear dc response in composites: A percolative study //Physical Review B. - 1998. - Т. 57. - №. 6. - С. 3375.
  5. Toker D. et al. Tunneling and percolation in metal-insulator composite materials //Physical review B. - 2003. - Т. 68. - №. 4. - С. 041403.
  6. Ситников А. В., Калинин Ю. Е., Жилова О. В. Новые направления физики конденсированного состояния: учебное пособие [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВО "Воронежский государственный технический университет", 2021. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45763264 (дата обращения: 28.08.2025).
  7. Furlan J. et al. Thermally assisted tunneling and the Poole-Frenkel effect in homogenous a-Si //Journal of applied physics. - 2003. - Т. 94. - №. 12. - С. 7604-7610.
  8. Котова М. С. Резистивные переключения в органических структурах на основе модифицированной полимерной матрицы: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Специальность 01.04.10 - физика полупроводников. Томск, 2019.
  9. Плотников В. В. Исследование механизмов проводимости в тонких пленках твердых растворов титаната бария-стронция: дис. … канд. физ.-мат. наук. Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния. СПб., 2016.
  10. Nasyrov K. A., Gritsenko V. A. Transport mechanisms of electrons and holes in dielectric films //Physics-Uspekhi. - 2013. - Т. 56. - №. 10. - С. 999.
  11. Mulder B. J. Recombination diffusion length of minority charge carriers in cuprous sulphide (chalcosite and djurleite) //physica status solidi (a). - 1972. - Т. 13. - №. 2. - С. 569-575.
  12. Prudenziati M. et al. Tunnelling in thick-film (cermet) resistors and the minimum of resistance //Il Nuovo Cimento D. - 1983. - Т. 2. - №. 3. - С. 697-710.