吉时利：分析系统优化小电流测量（下）

VII 漏流和保护II
　　保护亦可用于减小电缆连接中的漏流。图12所示为驱动保护防止电缆的漏泄电阻影响小电流测量的原理.在无保护的配置中，同轴电缆的漏阻与DUT并联(RDUT)，产生不希望的漏流(IL)。该漏流将影响极小电流的测量。
　
　　在保护电路中，三轴电缆的内芯屏蔽被连接至SMU的保护端子。现在，该屏蔽由一个单位增益低阻放大器(保护)驱动。Force HI端子和保护端子之间的电势差接近0V，所以漏流(IL)可忽略不计。

图12. 利用保护减小电缆连接中的漏流

　　为了查看测量极高电阻时三轴电缆和同轴电缆的结果，图13中绘出了采用10V阶跃函数测量100GΩ电阻的测量电流和时间的关系图。三轴电缆通过使用保护，以两种方式改善了测量：1)它减小了有效电缆电容，从而降低了测量的RC时间常数或建立时间；2)防止电缆中的漏流对测量准确度造成不利影响。

图13. 使用同轴电缆和三轴电缆测量高阻的结果比较

　　从图13可知，利用带有保护的三轴电缆进行测量，漏流较小(低几个pA)，建立时间更短(大约快10倍)。如果SMU必须连接至采用BNC连接器的测试夹具，请在SMU和测试夹具之间使用吉时利三轴电缆，然后再将BNC连接至三轴适配器(去掉了保护)，从而将电缆连接至测试夹具。
　
VIII SMU至DUT的连接
　　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。
　
VIIII摩擦效应
　　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。
　
十 污染和湿度效应
　　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。
　
十一 噪声和源阻抗
　　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

　　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。
　
十二 偏移补偿
　　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。