分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測(cè)量（下）

VII 漏流和保護(hù)II

        保護(hù)亦可用于減小電纜連接中的漏流。圖12所示為驅(qū)動(dòng)保護(hù)防止電纜的漏泄電阻影響小電流測(cè)量的原理.在無(wú)保護(hù)的配置中，同軸電纜的漏阻與DUT并聯(lián)(RDUT)，產(chǎn)生不希望的漏流(IL)。該漏流將影響極小電流的測(cè)量。

        在保護(hù)電路中，三軸電纜的內(nèi)芯屏蔽被連接至SMU的保護(hù)端子。現(xiàn)在，該屏蔽由一個(gè)單位增益低阻放大器(保護(hù))驅(qū)動(dòng)。Force HI端子和保護(hù)端子之間的電勢(shì)差接近0V，所以漏流(IL)可忽略不計(jì)。
 

 圖12. 利用保護(hù)減小電纜連接中的漏流

        為了查看測(cè)量極高電阻時(shí)三軸電纜和同軸電纜的結(jié)果，圖13中繪出了采用10V階躍函數(shù)測(cè)量100GΩ電阻的測(cè)量電流和時(shí)間的關(guān)系圖。三軸電纜通過(guò)使用保護(hù)，以兩種方式改善了測(cè)量：1)它減小了有效電纜電容，從而降低了測(cè)量的RC時(shí)間常數(shù)或建立時(shí)間；2)防止電纜中的漏流對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度造成不利影響。
 

圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測(cè)量高阻的結(jié)果比較

        從圖13可知，利用帶有保護(hù)的三軸電纜進(jìn)行測(cè)量，漏流較小(低幾個(gè)pA)，建立時(shí)間更短(大約快10倍)。如果SMU必須連接至采用BNC連接器的測(cè)試夾具，請(qǐng)?jiān)赟MU和測(cè)試夾具之間使用吉時(shí)利三軸電纜，然后再將BNC連接至三軸適配器(去掉了保護(hù))，從而將電纜連接至測(cè)試夾具。

VIII SMU至DUT的連接

        連接DUT時(shí)，除了使用屏蔽和保護(hù)電纜，將吉時(shí)利4200-SCS的相應(yīng)端子與裝置的合適端子相連接也非常重要。SMU的Force HI和Force LO端子連接不合適會(huì)導(dǎo)致電流偏移和測(cè)量不穩(wěn)定。這些誤差是由于共模電流產(chǎn)生的。

        通常情況下，總是將SMU的高阻端子(Force HI)連接至被測(cè)電路的最大電阻點(diǎn)。同樣，總是將4200-SCS的低阻端子(Force LO)連接至被測(cè)電路的最小電阻點(diǎn)。最小電阻點(diǎn)可以是公共端子或接地。如果Force HI端子被連接至最小電阻點(diǎn)，共模電流就會(huì)通過(guò)測(cè)量電路。
圖14中標(biāo)出了正確和不正確的測(cè)量連接。圖14a中的連接是正確的，因?yàn)榧獣r(shí)利4200-SMU的Force HI端子被連接至晶圓上器件的柵極，而Force LO端子被連接至帶有保護(hù)的吸盤。晶圓上的柵極端子為最大阻抗點(diǎn),保護(hù)吸盤為低阻抗點(diǎn)，所以該電路的連接正確。請(qǐng)注意，共模電流從SMUde Force LO端子流至保護(hù)吸盤；然而，電流并不通過(guò)安培計(jì)，因此不會(huì)影響測(cè)量。

 
圖14. 將SMU連接至保護(hù)吸盤上的器件

        圖14b中的連接是不正確的，它將SMU的Force LO端子連接至高阻柵極，將SMU的Force HI端子連接至保護(hù)吸盤。在這種情況下，共模電流將通過(guò)SMU以及DUT。這會(huì)造成測(cè)量不準(zhǔn)確，甚至不穩(wěn)定。

VIIII摩擦效應(yīng)

        摩擦電流是由于導(dǎo)體和絕緣體之間摩擦產(chǎn)生的電荷形成的。自由電子由于摩擦離開導(dǎo)體，造成電荷不平衡，由此產(chǎn)生電流。這種噪聲電流可達(dá)到數(shù)十nA。圖15所示為摩擦電流的流向。

        吉時(shí)利4200-SCS配備的三軸電纜在外屏蔽的下方采用了浸漬石墨絕緣體，大大降低了這種影響。石墨提供了潤(rùn)滑和導(dǎo)體柱，均衡了電荷，并將電纜運(yùn)動(dòng)的摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的電荷降至最小。然而，即使這種類型的三軸電纜在受到振動(dòng)和膨脹或收縮時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，所有連接應(yīng)盡量短，避免溫度變化(將產(chǎn)生熱膨脹力)，最好將電纜綁到不振動(dòng)表面，例如墻、桌子或剛性結(jié)構(gòu)。

 
圖15. 摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的偏移電流

應(yīng)采取其他措施將運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)問(wèn)題降至最小：

• 消除或機(jī)械去耦振動(dòng)源，例如馬達(dá)、泵，以及其他機(jī)電裝置。
• 將電子元件、接線和電纜牢固地安裝或綁好。
• 使前置放大器盡量靠近DUT。

壓電效應(yīng)和電荷存儲(chǔ)效應(yīng)

        向絕緣端子和互連硬件中使用的特定晶體材料施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓電電流。在有些塑料中，少量的存儲(chǔ)電荷就會(huì)導(dǎo)致該材料的行為類似于壓電材料。圖16所示為采用壓電絕緣體的端子的一個(gè)例子。
 

         圖16. 壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電流

        為了將這些效應(yīng)降至最小，請(qǐng)消除絕緣體的機(jī)械應(yīng)力，并使用具有最小壓電和電荷存儲(chǔ)的絕緣材料。

十 污染和濕度效應(yīng)

        高濕度或離子污染會(huì)大大降低測(cè)試夾具的絕緣電阻。凝露或吸水性會(huì)產(chǎn)生高濕度條件，而離子污染可能是體油、鹽或焊接劑造成的。絕緣電阻降低會(huì)對(duì)高阻測(cè)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，濕度或潮濕可能會(huì)與出現(xiàn)的污染相組合，形成會(huì)產(chǎn)生偏移電流的電化效應(yīng)。例如，常用的環(huán)氧印制電路板，如果沒有徹底清除蝕刻溶液、焊接劑或其他污染，就會(huì)在導(dǎo)體之間產(chǎn)生幾個(gè)nA的電流(參見圖17)。

 
    圖17. 污染和濕度造成的電流

        為避免污染和濕度的影響，請(qǐng)選擇防吸水的絕緣體，并將濕度保持在適當(dāng)水平(理想<50%)。此外，請(qǐng)使測(cè)試系統(tǒng)中的全部組件和測(cè)試夾具保持清潔，避免污染。
接地環(huán)路

        接地環(huán)路會(huì)產(chǎn)生雜散信號(hào)，可能是直流偏移或交流信號(hào)(通常為工頻或工頻的整數(shù)倍)。接地環(huán)路時(shí)由于測(cè)試電路中多處接地造成的。當(dāng)大量?jī)x器插入至不同儀器架上的電源接線板時(shí)，就會(huì)形成典型的接地環(huán)路。接地點(diǎn)之間的電勢(shì)往往存在微小差異，由此就會(huì)產(chǎn)生大電流循環(huán)，從而形成意料之外的電壓降。
圖18中所示的配置就是一個(gè)接地環(huán)路，是因?yàn)閷?200信號(hào)公共端子(Force LO)和DUT LO均連接至地形成的。環(huán)路中的大接地電流通過(guò)的是小電阻，無(wú)論是導(dǎo)體還是在連接點(diǎn)。該小電阻產(chǎn)生的壓降會(huì)影響性能。
為避免接地環(huán)路，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)單點(diǎn)接地。如果不能消除DUT的地，那么4200的GNDU COMMON端子和機(jī)箱地之間的接地鏈路應(yīng)斷開，如圖19所示。

 
                             圖18. 接地環(huán)路
 

             圖19. 消除接地環(huán)路

        如果懷疑存在接地環(huán)路，請(qǐng)將懷疑的儀器從交流電源拔出，并進(jìn)行敏感的電流測(cè)量，確認(rèn)問(wèn)題已經(jīng)解決。為了消除接地環(huán)路，盡量少采用接地，理想情況是不要超過(guò)一個(gè)。

        光有些元件，例如二極管和晶體管是卓越的光檢測(cè)器。因此，必須在無(wú)光環(huán)境下測(cè)試這些元件。為了確保測(cè)量準(zhǔn)確度，檢查測(cè)試夾具在門合頁(yè)、管道入口及連接或連接面板上是否存在光泄露。

十一 噪聲和源阻抗

        噪聲會(huì)嚴(yán)重影響敏感電流測(cè)量。DUT的源阻抗和源電容都會(huì)影響SMU的噪聲性能。
DUT的源阻抗會(huì)影響SMU的反饋安培計(jì)的噪聲性能。當(dāng)源電阻減小時(shí)，安培計(jì)的噪聲增益將增大。圖20所示為反饋安培計(jì)的簡(jiǎn)化模型。
在該電路中：
RS =源電阻
CS =源電容
VS =源電壓
VNOISE =安培計(jì)的噪聲電壓
 

             圖20. 反饋安培計(jì)的簡(jiǎn)化模型

RF =反饋電阻
CF =反饋電容

電路的噪聲增益可由下式給出： 


 
        請(qǐng)注意，當(dāng)源電阻(RS)減小時(shí)，輸出噪聲增大。由于降低源電阻會(huì)對(duì)噪聲性能產(chǎn)生不利影響，所以在表1中根據(jù)電流測(cè)量量程給出了最小推薦源電阻值。

表1. 最小推薦源電阻值



        DUT的源電容也會(huì)影響SMU的噪聲性能。一般情況下，源電容增大時(shí)，噪聲增益也隨之增大。盡管最大。

        源電容值存在限值，但是通過(guò)連接一個(gè)電阻或正偏二極管與DUT串聯(lián)，通常能夠在更高的源電容值下進(jìn)行測(cè)量。二極管作為一個(gè)可變電阻，當(dāng)源電容的充電電流為高時(shí)，其阻值很小，然后隨著電流的減小而增大。

十二 偏移補(bǔ)償

        在確定并減小外部誤差后，如果可能的話，可將測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)部和外部偏移從將來(lái)的測(cè)量結(jié)果中減去。首先，如上所述，在輸入戴有金屬帽的情況下對(duì)SMU進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。然后，確定每個(gè)SMU至探針的偏移。利用軟件中的公式計(jì)算器工具，可將該平均偏移從隨后的電流測(cè)量結(jié)果中減去。為了進(jìn)行極低電流的測(cè)量，應(yīng)定期重新測(cè)量平均偏移電流(至少每月一次)。

結(jié)論

        當(dāng)配備可選的吉時(shí)利4200-PA型遠(yuǎn)程前置放大器時(shí)，4200-SCS型半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量pA級(jí)或更小的電流。應(yīng)通過(guò)測(cè)量整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的偏移電流來(lái)確定系統(tǒng)的限制，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刹捎靡恍┘夹g(shù)減小測(cè)量誤差源，例如屏蔽、保護(hù)、儀器的正確接地，以及在KITE軟件中選擇合適的設(shè)置，包括留有足夠的建立時(shí)間。吉時(shí)利的低電平測(cè)量手冊(cè)提供了關(guān)于優(yōu)化低電平測(cè)量技術(shù)的更多信息。

更多參考

Keithley Instruments，4200-SCS型參考手冊(cè)，第5章 (含在系統(tǒng)軟件中)
Keithley Instruments，低電平測(cè)量手冊(cè)，2004年第6版。