标签: 小电流测量

在确定并减小外部误差后，如果可能的话，可将测试系统的内部和外部偏移从将来的测量结果中减去。首先，如上所述，在输入戴有金属帽的情况下对SMU进行自动校准。然后，确定每个SMU至探针的偏移。利用软件中的公式计算器工具，可将该平均偏移从随后的电流测量结果中减去。为了进行极低电流的测量，应定期重新测量平均偏移电流(至少每月一次)。 结论 当配备可选的吉时利4200-PA型远程前置放大器时，4200-SCS型半导体特性分析系统可准确测量pA级或更小的电流。应通过测量整个测量系统的偏移电流来确定系统的限制，必要时进行调节。可采用一些技术减小测量误差源，例如屏蔽、保护、仪器的正确接地，以及在KITE软件中选择合适的设置，包括留有足够的建立时间。吉时利的 低电平测量手册 提供了关于优化低电平测量技术的更多信息。 更多参考 Keithley Instruments， 4200-SCS 型参考手册 ，第5章 (含在系统软件中) Keithley Instruments， 低电平测量手册， 2004年第6版。

噪声会严重影响敏感电流测量。DUT的源阻抗和源电容都会影响SMU的噪声性能。 DUT的源阻抗会影响SMU的反馈安培计的噪声性能。当源电阻减小时，安培计的噪声增益将增大。 图 20 所示为反馈安培计的简化模型。 在该电路中： R S =源电阻 C S =源电容 V S =源电压 V NOISE =安培计的噪声电压   图20. 反馈安培计的简化模型 R F =反馈电阻 C F =反馈电容 电路的噪声增益可由下式给出：   请注意，当源电阻(R S )减小时，输出噪声增大。由于降低源电阻会对噪声性能产生不利影响，所以在 表 1 中根据电流测量量程给出了最小推荐源电阻值。 表1. 最小推荐源电阻值   量程 最小推荐源电阻 1 pA至100 pA 1 GΩ至100 GΩ 1 nA至100 nA 1 MΩ至100 MΩ 1 μA至100 μA 1 kΩ至100 kΩ 1 mA至100 mA 1 Ω至100 Ω DUT的源电容也会影响SMU的噪声性能。一般情况下，源电容增大时，噪声增益也随之增大。尽管最大 源电容值存在限值，但是通过连接一个电阻或正偏二极管与DUT串联，通常能够在更高的源电容值下进行测量。二极管作为一个可变电阻，当源电容的充电电流为高时，其阻值很小，然后随着电流的减小而增大。  

高湿度或离子污染会大大降低测试夹具的绝缘电阻。凝露或吸水性会产生高湿度条件，而离子污染可能是体油、盐或焊接剂造成的。绝缘电阻降低会对高阻测量产生严重影响。此外，湿度或潮湿可能会与出现的污染相组合，形成会产生偏移电流的电化效应。例如，常用的环氧印制电路板，如果没有彻底清除蚀刻溶液、焊接剂或其他污染，就会在导体之间产生几个nA的电流(参见 图 17 )。     图17. 污染和湿度造成的电流 为避免污染和湿度的影响，请选择防吸水的绝缘体，并将湿度保持在适当水平(理想50%)。此外，请使测试系统中的全部组件和测试夹具保持清洁，避免污染。 接地环路 接地环路会产生杂散信号，可能是直流偏移或交流信号(通常为工频或工频的整数倍)。接地环路时由于测试电路中多处接地造成的。当大量仪器插入至不同仪器架上的电源接线板时，就会形成典型的接地环路。接地点之间的电势往往存在微小差异，由此就会产生大电流循环，从而形成意料之外的电压降。 图 18 中所示的配置就是一个接地环路，是因为将4200信号公共端子(Force LO)和DUT LO均连接至地形成的。环路中的大接地电流通过的是小电阻，无论是导体还是在连接点。该小电阻产生的压降会影响性能。 为避免接地环路，测试系统应单点接地。如果不能消除DUT的地，那么4200的GNDU COMMON端子和机箱地之间的接地链路应断开，如 图 19 所示。     图18. 接地环路   图19. 消除接地环路 如果怀疑存在接地环路，请将怀疑的仪器从交流电源拔出，并进行敏感的电流测量，确认问题已经解决。为了消除接地环路，尽量少采用接地，理想情况是不要超过一个。 光 有些元件，例如二极管和晶体管是卓越的光检测器。因此，必须在无光环境下测试这些元件。为了确保测量准确度，检查测试夹具在门合页、管道入口及连接或连接面板上是否存在光泄露。  

摩擦电流是由于导体和绝缘体之间摩擦产生的电荷形成的。自由电子由于摩擦离开导体，造成电荷不平衡，由此产生电流。这种噪声电流可达到数十nA。 图 15 所示为摩擦电流的流向。 吉时利4200-SCS配备的三轴电缆在外屏蔽的下方采用了浸渍石墨绝缘体，大大降低了这种影响。石墨提供了润滑和导体柱，均衡了电荷，并将电缆运动的摩擦效应产生的电荷降至最小。然而，即使这种类型的三轴电缆在受到振动和膨胀或收缩时，也会产生噪声。因此，所有连接应尽量短，避免温度变化(将产生热膨胀力)，最好将电缆绑到不振动表面，例如墙、桌子或刚性结构。     图15. 摩擦效应产生的偏移电流 应采取其他措施将运动和振动问题降至最小： 消除或机械去耦振动源，例如马达、泵，以及其他机电装置。 将电子元件、接线和电缆牢固地安装或绑好。 使前置放大器尽量靠近DUT。 压电效应 和电荷存储效应 向绝缘端子和互连硬件中使用的特定晶体材料施加机械应力时，就会产生压电电流。在有些塑料中，少量的存储电荷就会导致该材料的行为类似于压电材料。 图 16 所示为采用压电绝缘体的端子的一个例子。   图16. 压电效应产生的电流 为了将这些效应降至最小，请消除绝缘体的机械应力，并使用具有最小压电和电荷存储的绝缘材料。        

连接DUT时，除了使用屏蔽和保护电缆，将吉时利4200-SCS的相应端子与装置的合适端子相连接也非常重要。SMU的Force HI和Force LO端子连接不合适会导致电流偏移和测量不稳定。这些误差是由于共模电流产生的。 通常情况下，总是将SMU的高阻端子(Force HI)连接至被测电路的最大电阻点。同样，总是将4200-SCS的低阻端子(Force LO)连接至被测电路的最小电阻点。最小电阻点可以是公共端子或接地。如果Force HI端子被连接至最小电阻点，共模电流就会通过测量电路。 图 14 中标出了正确和不正确的测量连接。 图 14a 中的连接是正确的，因为吉时利4200-SMU的Force HI端子被连接至晶圆上器件的栅极，而Force LO端子被连接至带有保护的吸盘。晶圆上的栅极端子为最大阻抗点,保护吸盘为低阻抗点，所以该电路的连接正确。请注意，共模电流从SMUde Force LO端子流至保护吸盘；然而，电流并不通过安培计，因此不会影响测量。   图14. 将SMU连接至保护吸盘上的器件 图14b 中的连接是不正确的，它将SMU的Force LO端子连接至高阻栅极，将SMU的Force HI端子连接至保护吸盘。在这种情况下，共模电流将通过SMU以及DUT。这会造成测量不准确，甚至不稳定。