概述

許多關(guān)鍵應(yīng)用要求能夠測量到非常小的電流，如 pA量級或更小的電流。這些應(yīng)用包括測定FET的柵極漏電流，測試靈敏的納米電子器件，以及測量絕緣器件和電容的漏電流。

4200A-SCS參數(shù)分析儀配置4200-PA遠(yuǎn)程前置放大器時， 具有最小10aA分辨率（10-16）的特殊低電流測量能力。小電流的成功測量不僅取決于使用像4200A-SCS這樣非常靈敏的電流表，還取決于在系統(tǒng)的Clarius軟件中選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，使用低噪聲夾具和測試電纜，允許足夠的積分時間，并使用相關(guān)技術(shù)來防止影響精度的不必要電流。本文給出了Keithley最著名的測試方法建議，用于優(yōu)化使用4200A-SCS進(jìn)行低電流測量。

測量系統(tǒng)的偏置電流

建立超低電流測量系統(tǒng)的第一步是確定整個測量系統(tǒng)的偏置和漏電流，包括4200A-SCS本身、連接電纜、開關(guān)矩陣、測試夾具和探頭。這確定了整個系統(tǒng)的噪聲下限，并設(shè)置了一個起點(diǎn)，以便在可能的情況下對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。首先測量源測量單元（SMU）的偏移量，然后繼續(xù)添加測量電路中的組件，直到除被測（DUT）外所有組件都連接上。測量直接使用Clarius軟件控制4200-SMU與4200-PA遠(yuǎn)程前置放大器來完成。

內(nèi)部偏置

理想的電流表在輸入端子為開路的情況下，回讀電流大小應(yīng)為零。然而，現(xiàn)實(shí)情況中電流表在輸入端開路時確實(shí)有一些小電流流過。這種電流被稱為輸入偏置電流，是由有源器件的偏置電流和通過儀器內(nèi)部絕緣體的漏電流產(chǎn)生的。SMU內(nèi)產(chǎn)生的偏置電流可以參考4200-SMU的技術(shù)規(guī)格。如圖1所示，輸入偏置電流加到被測電流上，因此儀表測量值為兩個電流之和：

IMEASURE= ISOURCE+ IOFFSET

圖1. SMU的輸入偏置電流

測量帶有4200-PA前置放大器的每個4200-SMU的偏置時，除了金屬帽外，F(xiàn)orce HI和Sense HI端子沒有任何連接。這些金屬帽包含在系統(tǒng)備件中。在進(jìn)行任何測量之前，應(yīng)將前置放大器連接到SMU上，并前置放大器的Force HI和Sense HI端子接上金屬帽，對SMU預(yù)熱至少一小時。偏置電流可以使用“Low Current Project”項(xiàng)目來測量，該項(xiàng)目可以在項(xiàng)目庫的選擇視圖中找到，或直接搜索“Low Current”獲取。圖2顯示了Clarius軟件應(yīng)用程序中的這個項(xiàng)目。

圖2. Low Current Project在Clarius應(yīng)用中

打開這個項(xiàng)目，選擇SMU1offset測試項(xiàng)，測量SMU1的偏置電流。選擇Analyze，然后運(yùn)行測試。結(jié)果應(yīng)該類似于圖3所示的圖形?？赡苄枰褂米詣涌s放功能來適當(dāng)?shù)乜s放曲線。右鍵單擊圖形可以找到自動縮放功能。當(dāng)4200-PA前置放大器連接到SMU時，偏置電流應(yīng)該在fA量級內(nèi)。偏置電流可以是正的，也可以是負(fù)的?？捎肧MU標(biāo)的的電流表規(guī)格來驗(yàn)證這些結(jié)果。

應(yīng)該重復(fù)此操作對系統(tǒng)中的每個SMU進(jìn)行單獨(dú)的測量。Low Current Project會對四個帶前置放大器的 SMU進(jìn)行偏置電流測量的測試。

圖3. SMU1的偏置電流測量

輸入偏移電流規(guī)格可以通過在Clarius中執(zhí)行自動校準(zhǔn)程序來進(jìn)行優(yōu)化。執(zhí)行SMU自動校準(zhǔn)，請?jiān)凇癟ools”菜單中選擇“SMU auto calibration”。在執(zhí)行自動校準(zhǔn)之前，至少需要開機(jī)預(yù)熱60分鐘。除了金屬帽外，SMU的force HI和sense HI端子上不應(yīng)連接任何東西。自動校準(zhǔn)程序調(diào)整系統(tǒng)中所有SMU的所有源和測量功能中的電流和電壓偏置。這里不要與全系統(tǒng)校準(zhǔn)相混淆，應(yīng)每年在授權(quán)的機(jī)構(gòu)完成一次對4200A-SCS 的全系統(tǒng)校準(zhǔn)。

一旦執(zhí)行了SMU自動校準(zhǔn)，就可以對偏移電流進(jìn)行重復(fù)測量。

外部偏置

一旦電流表的偏置已經(jīng)確定，在添加測試電路的每一個環(huán)節(jié)后，通過重復(fù)電流（加載0V）對時間的圖來驗(yàn)證系統(tǒng)其余部分的偏置。每次重復(fù)測試時，之前的運(yùn)行都保存在歷史運(yùn)行面板中。最后，對處于“UP”位置的探頭末端或?qū)ξ催B接設(shè)備的測試夾具進(jìn)行測量。這一過程將有助于確定故障點(diǎn)，如電纜短路或測量電路的不穩(wěn)定。但是，要注意連接和斷開電纜時會在電路中產(chǎn)生電流。對于進(jìn)行超低電流測量，在改變測試電路中的連接后，可能需要等待幾分鐘到幾小時使寄生電流衰減。圖4顯示了1）僅接入force HI端子的SMU 的偏移量；2）前置放大器上僅帶三軸電纜；3）通過Keithley 7174A低電流開關(guān)矩陣到探針臺上處于“UP”位置的探頭。

圖4. 整個測試系統(tǒng)的偏置電流測量

在生成電流-時間圖時，通過施加測試電壓來重復(fù)此測試，以確定測量電路中的任何泄漏電路。相較施加零伏偏置，使用測試電壓加載到DUT上進(jìn)行實(shí)際測量?，F(xiàn)在測試夾具和電纜中的任何泄漏電流將被檢測到并體現(xiàn)在圖表中。如果泄漏電流看起來過高，可以對測量電路進(jìn)行調(diào)整，以減少泄漏電流。參考標(biāo)題為“泄漏電流和 Guard”的章節(jié)，其中描述了減少泄漏電流的方法。

測量誤差的來源和減少測量誤差的方法

一旦確定了電流偏移、泄漏電流和任何不穩(wěn)定性，采取措施減少測量誤差將有助于提高測量精度。這些誤差來源包括穩(wěn)定時間不足、靜電影響、泄漏電流、摩擦起電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、污染、濕度、接地回路、光線和源內(nèi)阻。圖5總結(jié)了本節(jié)討論的一些產(chǎn)生電流的量級。

圖5. 產(chǎn)生電流的典型幅度

穩(wěn)定時間和時間菜單設(shè)置

在進(jìn)行小電流和高電阻測量時，測量電路的穩(wěn)定時間特別重要。穩(wěn)定時間是開啟測量時在施加或改變電流或電壓后達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。影響測量電路穩(wěn)定時間的因素包括并聯(lián)電容（CSHUNT）和源電阻(RS)。并聯(lián)電容是由連接的電纜、測試夾具、開關(guān)和探頭造成的。DUT的內(nèi)阻越高，穩(wěn)定時間越長。并聯(lián)電容和內(nèi)阻如圖6中的測量電路所示。

圖6. SMU測量電路包括CSHUNT和RS

穩(wěn)定時間為RC時間常數(shù) τ 的結(jié)果，式中：

τ = RSCSHUNT

計(jì)算穩(wěn)定時間的示例如下，設(shè)CSHUNT=10pF，RS=1TΩ，則：

τ =10pF x 1TQ=10s

因此，需要5τ 或50秒的穩(wěn)定時間，將讀數(shù)波動穩(wěn)定到最終值的1%以內(nèi)！圖7顯示了進(jìn)入RC電路的階躍電壓的指數(shù)響應(yīng)。經(jīng)過一個時間常數(shù)（τ =RC）后，電壓上升到最終值的63%以上。

圖7. RC電路對階躍電壓的指數(shù)響應(yīng)

要成功地進(jìn)行低電流測量，為每次測量添加足夠的時間是非常重要的，特別是掃描電壓時?？梢栽?Sweep Mode的sweep delay字段或sampling Mode的interval time字段的test setting菜單中進(jìn)行設(shè)置。為了驗(yàn)證要增加多少間隔時間，可以通過繪制電流與時間到階躍電壓的關(guān)系來測量 DUT的穩(wěn)定時間。步進(jìn)電壓應(yīng)該是DUT實(shí)際測量中使用的偏置電壓。在Low Current Project測試項(xiàng)中可以用來進(jìn)行穩(wěn)定時間的測量。

測試設(shè)置菜單中的采樣點(diǎn)數(shù)可能需要增加，以確保穩(wěn)定讀數(shù)將顯示在圖形上。在進(jìn)行低電流測量時，使用Quite Speed Mode或添加額外的濾波。需要注意的是，有一個去除噪聲和測試速度的權(quán)衡。濾波和延遲越多，噪聲就會越少，但測量速度就會越慢。

靜電干擾和屏蔽

當(dāng)帶電物體接近被測電路時，就會發(fā)生靜電耦合或干擾。在低阻抗水平下，干擾的影響并不明顯，因?yàn)殡姾蓵杆傧ⅰＨ欢?，高電阻材料不允許電荷快速衰減，這可能導(dǎo)致測試結(jié)果的不穩(wěn)定、有較大的噪聲。通常，當(dāng)電流測量≤1nA或電阻測量≥1GΩ時，靜電干擾是測量中必須考慮的一個問題。

為了減少電場的影響，可以將被測量的電路封閉在靜電屏蔽殼體中。圖8說明了100GΩ電阻器的非屏蔽和屏蔽測量之間的巨大差異。未屏蔽的測量比屏蔽的測量噪聲大得多。

圖8. 100GΩ電阻器上的屏蔽與非屏蔽測量

屏蔽可以只是一個簡單的金屬盒或網(wǎng)格罩，包裹測試

電路。商用探針臺通常將敏感電路封閉在靜電屏蔽內(nèi)。屏蔽連接到測量電路LO端，不一定接地。在4200-SMU的情況下，屏蔽連接到如圖9所示的 Force LO端子。

圖9. 屏蔽裝置高阻抗測試

最小化由于靜電耦合而產(chǎn)生的誤差電流 :

■屏蔽DUT并將外殼和測試電路的公共端，4200A-SCS的Force LO端子短接

■所有帶電物體（包括人）和導(dǎo)體遠(yuǎn)離測試電路的敏

感區(qū)域

■避免在測試區(qū)域附近移動和發(fā)生振動

泄漏電流和Guard

泄漏電流是當(dāng)施加電壓時流經(jīng)絕緣電阻或從中泄漏的錯誤電流。當(dāng)DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當(dāng)時，這種錯誤電流就成為一個問題。為了減少泄漏電流，需要在測試電路中使用質(zhì)量好的絕緣材料，降低測試實(shí)驗(yàn)室的濕度，并使用保護(hù)技術(shù)。

Guard是一個由低阻抗源驅(qū)動的導(dǎo)體，其輸出與高阻抗終端處于或接近相同的電位。Guard端子用于保護(hù)測試夾具和電纜的絕緣電阻和電容。Guard端子是圖10所示的三軸連接器/電纜的內(nèi)部屏蔽。

圖10. 4200A三同軸接口、線纜定義

Guard不應(yīng)與屏蔽混淆。屏蔽通常意味著使用金屬外殼來防止靜電干擾影響高阻抗測試電路。Guard意味著使用一個附加的低阻抗導(dǎo)體，與高阻抗電路保持相同的電位，它將攔截任何干擾電壓或電流。Guard并不一定提供屏蔽。下面的段落概述了兩個Guard的例子：1）使用Guard來減少由于測試夾具造成的泄漏，2）使用 Guard 來減少由于布線造成的泄漏電流。

圖11顯示了Guard如何消除可能流過測試夾具中隔離絕緣材料的泄漏電流。在圖11a中，泄漏電流(IL)流過隔離絕緣材料(RL)。該泄漏電流加到DUT(IDUT)的電流中，由SMU電流表(IM)測量，對低電流測量的精度產(chǎn)生不利影響。

圖11. 使用Guard以減少測試夾具的泄漏

圖11b中，金屬掛板連接到SMU的Guard端子上。絕緣固定支架的頂部和底部的電壓幾乎處于相同的電位(0V降)，因此不會有泄漏電流流過隔板影響測量精度。出于安全目的，金屬屏蔽必須連接到接地點(diǎn)，因?yàn)榈撞康慕饘侔惭b板將在Guard電位。

Guard也可用于減少布線中的泄漏電流。圖12說明了驅(qū)動保護(hù)如何防止電纜的泄漏電阻降低低電流測量的性能。在無保護(hù)配置中，同軸電纜的泄漏電阻與DUT(RDUT)平行，產(chǎn)生不需要的泄漏電流(IL)。這種泄漏電流會削弱微弱電流測量。

在保護(hù)電路中，三軸電纜的內(nèi)屏蔽連接到SMU的Guard端子上?，F(xiàn)在這個屏蔽由一個增益單位、低阻放大器(Guard)構(gòu)成的驅(qū)動。ForceHl端子和Guard 端子之間的電位差接近0V，因此消除了泄漏電流(lL)。

圖12. 使用Guard減少電纜中的漏電流

對比使用三軸電纜和同軸電纜進(jìn)行高阻測量時的結(jié)果，圖13顯示了加載10V階躍電壓到100GΩ電阻，電流 vs.時間的測試結(jié)果。三同軸電纜啟用Guard，從兩個方面改進(jìn)測量：1）它降低了有效的電纜電容從而降低了RC時間常數(shù)或測量的穩(wěn)定時間，2）它防止電纜的泄漏電阻提升了測量精度。

圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結(jié)果對照

從圖13的圖表中可以看到，使用帶保護(hù)的三軸電纜可以在測量電流具有更低的泄漏電流（小幾PA）和更快的穩(wěn)定時間（大約快十倍）。

如果SMU必須連接到帶有BNC連接器的測試夾具，則使用Keithley三軸電纜連接SMU和測試夾具，然后使用三同軸轉(zhuǎn)BNC的適配器（去除Guard）將電纜連接到測試夾具。

SMU連接到DUT

除了在連接DUT時使用屏蔽和Guard外，4200A-SCS與設(shè)備的接入位置也是非常重要的。SMU Force Hl和Force Lo端子連接不當(dāng)會導(dǎo)致電流偏移，測量結(jié)果不穩(wěn)定。這些誤差是由共模電流引起的。

一般情況下，始終將SMU的高阻端子（Force HI）連接到被測電路的最高電阻點(diǎn)上。同樣，始終將4200A-SCS的低阻端子（Force LO）連接到被測電路的最低電阻點(diǎn)。最低電阻點(diǎn)可以是一個公共端子或接地點(diǎn)。如果Force HI端子連接到低阻端，那么共模電流可以通過測量電路，從而影響測試結(jié)果。

圖14給出了正確的和不正確的測量連接。圖14a為正確的連接方式，因?yàn)?200-SMU的Force Hl端子連接在晶圓上的被測器件的柵極上，F(xiàn)orce LO端子連接在接地卡盤上。晶圓上的柵極端子是最高阻抗點(diǎn)，接地的卡盤是低阻抗點(diǎn)，所以這個電路是正確連接。注意，共模電流從SMU的Force LO端子流向接地卡盤；但是，電流不會流過安培計(jì)，因此不會影響測量。

圖14. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結(jié)果對照

圖14b顯示了將高阻柵極端子與SMU的Force LO端子連接，接地卡盤和SMU的Force HI端子連接的不恰當(dāng)連接方式。在這種情況下，共模電流將流過SMU以及DUT。這將導(dǎo)致測試結(jié)果的不準(zhǔn)確，甚至無法穩(wěn)定測量。

摩擦電效應(yīng)

摩擦電流是由導(dǎo)體和絕緣體之間因摩擦產(chǎn)生電荷而形成的。在這里，自由電子與導(dǎo)體摩擦，產(chǎn)生電荷不平衡，導(dǎo)致電流流動。這種噪聲電流可以在幾十nA的范圍內(nèi)。圖15展示了摩擦電流的流動情況。

圖15. 摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的偏置電流

與4200A-SCS配套使用的三軸電纜通過在外層屏蔽下使用石墨浸漬絕緣材料，大大降低了這種影響。石墨供潤滑和一個導(dǎo)電圓筒，以均衡電荷，并將電纜運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的電荷降至最低。然而，即使是這種類型的三軸電纜，在受到振動、膨脹或收縮時也會產(chǎn)生一些噪聲。因此，所有連接都應(yīng)盡可能的短，遠(yuǎn)離溫度變化（這會產(chǎn)生熱膨脹力），最好用膠帶或軋帶將電纜固定到非振動表面，如墻壁、工作臺或剛性結(jié)構(gòu)上。

還應(yīng)采用其他技術(shù)來盡量減少移動和振動問題：

■移除振動源，如電機(jī)、泵和其他機(jī)電設(shè)備，或者使用機(jī)械減震

■安全地安裝或固定電子元件、電線和電纜

■安裝前置放大器時，盡可能靠近被測

壓電和存儲電荷效應(yīng)

當(dāng)某些晶體材料使用絕緣端子和互聯(lián)硬件固定時，施加機(jī)械應(yīng)力就會產(chǎn)生壓電電流。在某些塑料中，儲存的電荷使材料表現(xiàn)出類似于壓電材料的特性。圖16所示為帶有壓電絕緣體的端子的一個例子。

圖16. 壓電效應(yīng)產(chǎn)生的偏置電流

為了使這些影響最小化，需要從絕緣體消除機(jī)械應(yīng)力和使用盡可能小的壓電和儲存電荷的絕緣材料。

污染和濕度影響

高濕度或離子污染可顯著降低測試夾具的絕緣電阻。高濕度條件下會發(fā)生冷凝或吸水，而離子污染可能是人體油脂、鹽或焊料助焊劑的結(jié)果。絕緣電阻的降低會對高阻抗測量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。此外，濕度或濕氣可以與任何污染物結(jié)合，產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng)，從而產(chǎn)生偏置電流。例如，常用的環(huán)氧印刷電路板，當(dāng)蝕刻液、助熔劑或其他污染物未被徹底清洗時，可在導(dǎo)體之間產(chǎn)生幾nA的電流（見圖17）。

圖17. 離子污染和濕度產(chǎn)生的電流

為了避免污染和濕度的影響，選擇抗水分吸收的絕緣子，并保持濕度在中等水平（理想情況下<50%）。此外，確保測試系統(tǒng)中的所有組件和測試夾具保持清潔和無污染。

地回路

地回路可以產(chǎn)生雜散信號，可能是直流偏置或AC信號（通常是工頻或工頻的倍數(shù)）。接地回路是由測試電路中的多個接地引起的。接地回路的一個典型例子是將多個儀器插入不同儀器架上的電源排。通常，接地點(diǎn)之間存在微小的電位差，這可能會導(dǎo)致生產(chǎn)大電流，并產(chǎn)生意想不到的電壓下降。

圖18所示的配置顯示了通過將4200A-SCS信號公共（Force LO）和DUT LO連接到地而構(gòu)成的接地回路?；芈分辛鬟^的大接地電流會遇到小電阻，要么在導(dǎo)體中，要么在連接點(diǎn)上。這個小電阻會導(dǎo)致電壓下降，從而影響性能。

為了防止接地回路，測試系統(tǒng)應(yīng)該只在一個點(diǎn)接地。如果不能拆除DUT接地，則應(yīng)拆除4200A-SCS GNDU公共端子與機(jī)箱接地之間的接地鏈路，如圖19所示。

圖18. 地回路

圖19. 消除接地回路

如果懷疑有接地回路，請將可疑儀器從AC電源中拔下，并嘗試進(jìn)行微電流測量以驗(yàn)證問題已經(jīng)消失。要消除接地回路，應(yīng)盡可能少地做接地，最好不超過一個。

光

一些元件，如二極管和晶體管是光敏器件。因此，這些元件必須在無光環(huán)境中進(jìn)行測試。為了確保測量精度，檢查測試夾具是否在門鉸鏈、管道入口點(diǎn)和連接器或連接器面板上有光泄漏。

噪聲和源阻抗

噪聲會嚴(yán)重影響靈敏的電流測量。DUT的源電阻和源電容都會影響SMU的噪聲性能。

DUT的源電阻將影響SMU反饋電流表的噪聲性能。隨著源電阻的減小，安培計(jì)的噪聲增益也隨源電阻的減小將會增加。

圖20顯示了反饋電流表的簡化模型。

圖20. 反饋電流表的簡化模型

在這個電路中：

RS=源電阻

CS=源電容

VS=源電壓

VNOISE=電流表的噪聲電壓R=反饋電阻

CF=反饋電容

電路的噪聲增益可以用這個公式給出：

注意，隨著源電阻(RS)的減小，輸出噪聲增大。因?yàn)榻档驮措娮钑υ肼曅阅墚a(chǎn)生不利影響，所以有基于電流測量范圍的最小推薦源電阻值，總結(jié)在表1中。

表1. 最小推薦源電阻值

DUT的源電容也會影響SMU的噪聲性能。一般來說，隨著源電容的增大，噪聲增益也會增大。雖然最大源電容值是有限制的，但通?？梢酝ㄟ^將電阻或正向偏置二極管串聯(lián)到DUT上來測量更高的源電容值。二極管的作用就像一個可變電阻，當(dāng)源電容的充電電流高時，它的值低，然后隨著電流隨時間減小，它的值增加。

補(bǔ)償偏置

在確定外部誤差并減少后，如果可能，可以從未來的測量中減去測試系統(tǒng)的內(nèi)部和外部偏移量。首先，使用上述的隔絕輸入端子執(zhí)行SMU自動校準(zhǔn)。然后，確定每個SMU到探針尖端的偏移量。這個平均偏移電流可以使用軟件中的Formulator工具從其他項(xiàng)目的后續(xù)電流測量中減去。為了進(jìn)行極低電流測量，應(yīng)定期（至少每月）重新測量平均偏置電流。

結(jié)論

當(dāng)配置可選的4200-PA遠(yuǎn)程前置放大器時，4200A-SCS參數(shù)分析儀可以精確測量皮安或更小的電流。要測量整個測量系統(tǒng)的偏置電流，以確定系統(tǒng)的局限性，因此可以在必要時進(jìn)行調(diào)整。通過使用諸如屏蔽、Guard和儀器適當(dāng)接地等技術(shù)，以及在Clarius軟件中選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，包括允許足夠的穩(wěn)定時間，可以減少測量誤差的來源。Keithley的《低電平測量手冊》提供了關(guān)于最佳低電流測量技術(shù)的進(jìn)一步原理性描述。