中心議題：

• 分析係統優化小電流測量
• 測量係統中的偏移電流

解決方案：

• 在測試電流中采用高質量的絕緣體
• 通過測試夾具內隔離絕緣體的原理

許多關鍵應用都需要能夠測量小電流的能力——比如pA級或更小。這些應用包括確定FET的柵極漏流、測試敏感的納米電子器件，以及測量絕緣體或電容的漏流。

4200-SCS型半導體特性分析係統配備可選的4200-PA型遠程前置放大器時

，可提供非常卓越的小電流測量能力，分辨率達1E–16A。成功測量小電流不僅依賴於使用非常靈敏的安培計，例如4200-SCS型
，而且還取決於係統的交互測試環境(KITE)軟件進行正確設置
、使用低噪聲夾具和電纜連接、留有足夠的建立時間
，以及采用能夠防止不希望的電流降低測量準確度的技術。本文介紹利用吉時利4200-SCS型優化小電流測量的最佳解決方案。

測量係統中的偏移電流

將係統配置為進行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個測量係統的偏移和漏泄電流，包括4200-SCS本身
、連接電纜
、開關矩陣
、測試夾具和探針。這可確定整個係統的噪底限值
，並設置一個開始點，如果可能的話則進行改進。從測量源測量單元(SMU)的偏移開始，然後繼續增加測量電路組件
，直到連接了除被測裝置(DUT)之外的全部組件。直接由帶有4200-PA遠程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進行測量。

II分析係統優化小電流測量——內部偏移

對(dui)於(yu)理(li)想(xiang)的(de)安(an)培(pei)計(ji)，當(dang)其(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)子(zi)保(bao)持(chi)開(kai)路(lu)時(shi)，其(qi)讀(du)數(shu)應(ying)為(wei)零(ling)。然(ran)而(er)，現(xian)實(shi)中(zhong)的(de)安(an)培(pei)計(ji)在(zai)輸(shu)入(ru)開(kai)路(lu)時(shi)確(que)實(shi)存(cun)在(zai)小(xiao)電(dian)流(liu)。這(zhe)一(yi)電(dian)流(liu)被(bei)稱(cheng)為(wei)輸(shu)入(ru)偏(pian)移(yi)電(dian)流(liu)，是(shi)由(you)於(yu)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)流(liu)過(guo)儀(yi)器(qi)中(zhong)絕(jue)緣(yuan)體(ti)的(de)漏(lou)泄(xie)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)。SMU內產生的偏移電流已包括在吉時利4200-SCS型的技術指標中。如圖1所示，輸入偏移電流增加至被測電流，所以儀表測量的是兩個電流之和。 測量每個帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時，Force HI和Sense HI端子上除金屬帽外不連接任何東西。這些三銷金屬帽已包含在係統中。在進行所有測量之前，SMU應該在帶有連接至前置放大器的Force HI和Sense HI端子的金屬帽的條件下
，預熱至少1個小時。如果係統安裝有7.1版或更高版本的KTEI，可采用以下目錄中名稱為“LowCurrent”的項目測量偏移電流：C:\S4200\kiuser\Projects\LowCurrent

打開該項目，選擇SMU1offset ITM。點擊圖表標簽，並運行測試。結果應類似於圖2所示的圖形。可能需要利用自動縮放(Auto Scale)功能適當縮放曲線。在圖形上右擊，即可找到自動縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時，偏移電流應該在fA級。電流偏移可為正或負。根據公布的4200-SCS型的安培計技術指標驗證這些結果。

利用獨立ITM對係統中的每個SMU重複該項測試。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個SMU進行偏移電流測量的ITM。

運行7.1版本之前的KTEI軟件的係統也很容易測量偏移電流。請按照以下步驟創建測試
，對SMU1進行測量：

1. 在已創建的項目中，打開一個用於一般2端器件的新Device Plan(器件規劃)。

創建一個名稱為SMU1Offset的新ITM。為端子A選擇SMU1，端子B選擇GNDU。 [page]
1. 在Definition標簽頁中進行如下設置：

SMU源測量配置：電壓偏置0V

，10pA固定電流量程。

Timing菜單：靜音速度
，采樣模式
，0s間隔
，20個樣本，1s保持時間
，選中使能時標。

公式計算器：創建一個公式
，利用標準差測量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。

再創建一個公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。

2. 在Graph標簽頁中進行如下設置(在圖形上右擊)：

定義圖形：X軸：時間/Y1軸：電流(A1)

數據變量：選擇在圖形上顯示NOISE。選擇在圖形上顯示AVGCURRENT。

完成配置後，保存測試並運行。結果應類似於圖2所示的圖形。對係統中的全部SMU重複該測試。

在KITE中執行自動校準程序，可優化輸入偏移電流技術指標。如需執行SMU自動校準，在KITE的工具菜單中點擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動校準)。進行自動校準之前，使係統在上電後預熱至少60分鍾。除金屬帽之外，SMU的Force HI和Sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序對係統中全部SMU的全部源和測量功能調節電流和電壓偏移。請勿將其與全係統校準混淆
，後者應每年在吉時利工廠進行一次。

完成SMU自動校準後，即可重複進行偏移電流測量。

III分析係統優化小電流測量——外部偏移

確定了安培計的偏移電流後，將係統的其餘部分逐步添加至測試電路
，通過重複電流(0V)和時間圖，驗證係統其餘部分的偏移(利用圖3中所示的“Append Run”按鈕)。最後，在“up”weizhiduitanzhenmoduanhuoweilianjieqijiandeceshijiajujinxingceliang。gaiguochengjiangyouzhuyuquedingrenheguzhangdian，liruduanludedianlanhuoceliangdianluzhongdebuwendingxing。raner，yaoyishidao，lianjieheduankaidianlandouhuizaidianluzhongchanshengdianliu。weilejinxingchaodidianliuceliang，kenengyoubiyaozaigaibianceshidianludelianjiehoudengdaijifenzhongzhijigexiaoshi，shizasandianliushuaijian。tu4中的圖形顯示的是以下條件下的偏移：1)SMU的Force HI端子上戴有金屬帽；2)前置放大器上僅連接一根三軸電纜；3)通過吉時利7174A型小電流開關矩陣至探針台
，“up”位置有一個探針。

在生成電流-時間圖形時施加一個測試電壓，重複該項測試，確定測量電路中的漏泄電流。在DUTdeshijiceliangzhong，shiyongdeshiceshidianya，erfeilingpianya。xianzai
，jiangceliangbinghuizhiceshijiajuhedianlanzhongderenhelouliu。ruguolouliutaigao
，keduiceliangdianlujinxingtiaojie
，jianxiaolouliu。guanyujianxiaolouliudefangfaxinxi
，qingcanjianbenwen“漏流和保護”部分。
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IV測量誤差源及減小誤差的方法

確定了電流偏移、漏流及所有不穩定性後

，采取措施減小測量誤差將有助於提高測量準確度。這些誤差源包括建立時間不足、靜電幹擾、漏泄電流、摩擦效應、壓電效應、汙染、濕度、接地環路
，以及源阻抗。圖5中彙總了本節討論的部分電流的幅值。
測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)的(de)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)在(zai)測(ce)量(liang)小(xiao)電(dian)流(liu)和(he)高(gao)電(dian)阻(zu)時(shi)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。建(jian)立(li)時(shi)間(jian)是(shi)指(zhi)施(shi)加(jia)或(huo)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)或(huo)電(dian)壓(ya)後(hou)測(ce)量(liang)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)。影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)的(de)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)(CSHUNT)和源電阻(RS)。並聯電容是由於連接電纜、測試夾具
、開關和探針造成的。DUT的源電阻越高

，建立時間越長。圖6的測量電路中標出了並聯電容和源電阻。
建立時間是RC時間常數τ的結果

，其中：

τ= RSCSHUNT

以下為計算建立時間的一個例子，假設 RSCSHUNT = 10pF，RS = 1TΩ，那麼：

τ= 10pF×1TΩ = 10s

因此，讀數穩定至最終值的1%所需的建立時間為τ的5倍
，也就是50秒。圖7所示為RC電路的階躍電壓指數響應。經過一個時間常數(τ = RC)後，電壓上升至最終值的63%。 [page]
為了成功測量小電流，重要的是每次測量留有足夠的時間，尤其是掃描電壓時。對於掃描模式，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時)菜單中添加建立時間
；對於采樣模式，則在“Interval time”域內。為了確定需要增加多長間隔時間，通過繪製電流-時間圖
，測量DUT穩定至某個階躍電壓的建立時間。階躍電壓應該是DUT實際測量中使用的偏執電壓。可利用LowCurrent項目中的ITM測量建立時間。應適當增加“Timing”(定時)菜單中的“#Samples”，以確保穩定後的讀數顯示在圖形中。在測量小電流時，采用“Quiet Speed Mode”或在“Timing”菜單中增加額外濾波。請注意，這是噪聲和速度之間的平衡。濾波和延遲越大
，噪聲越小，但是測量速度也越小。

V電磁幹擾和屏蔽

當(dang)帶(dai)電(dian)物(wu)體(ti)接(jie)近(jin)被(bei)測(ce)電(dian)路(lu)時(shi)，會(hui)發(fa)生(sheng)靜(jing)電(dian)耦(ou)合(he)或(huo)幹(gan)擾(rao)。低(di)阻(zu)抗(kang)時(shi)，由(you)於(yu)電(dian)荷(he)消(xiao)失(shi)很(hen)快(kuai)

，所(suo)以(yi)幹(gan)擾(rao)的(de)影(ying)響(xiang)不(bu)明(ming)顯(xian)。然(ran)而(er)，高(gao)電(dian)阻(zu)材(cai)料(liao)不(bu)會(hui)使(shi)電(dian)荷(he)快(kuai)速(su)衰(shuai)減(jian)，則(ze)會(hui)造(zao)成(cheng)測(ce)量(liang)不(bu)穩(wen)定(ding)、噪聲很大。通常情況下，當被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時，靜電幹擾就會成為問題。

為了減小靜電場影響
，被測電路可被密封在一個靜電屏內。圖8所示為非屏蔽和屏蔽測量一個100GΩ電阻之間的巨大差異。非屏蔽測量比屏蔽測量時的噪聲要大得多。
屏(ping)蔽(bi)可(ke)以(yi)僅(jin)僅(jin)是(shi)一(yi)個(ge)將(jiang)測(ce)試(shi)電(dian)路(lu)包(bao)圍(wei)起(qi)來(lai)的(de)簡(jian)單(dan)金(jin)屬(shu)盒(he)或(huo)金(jin)屬(shu)網(wang)。商(shang)業(ye)探(tan)針(zhen)台(tai)往(wang)往(wang)將(jiang)敏(min)感(gan)電(dian)路(lu)密(mi)封(feng)在(zai)一(yi)個(ge)靜(jing)電(dian)屏(ping)蔽(bi)內(nei)。屏(ping)蔽(bi)被(bei)連(lian)接(jie)至(zhi)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)LO端子，該端子不一定接地。對於4200-SCS來說，屏蔽連接至Force LO端子，如圖9所示。
采取以下步驟將靜電耦合導致誤的差電流降至最小：

· 屏蔽DUT，並將屏蔽層在電氣上連接至測試電路公共端——4200-SCS的Force LO端子。

· 使所有帶電物體(包括人員)和導體遠離電路的敏感區域。

· 測試區域附近避免移動和振動。
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VI漏流和保護

漏流是施加電壓時通過(泄露)電阻的誤差電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，該誤差電流就會成為問題。為減小漏流
，在測試電流中采用高質量的絕緣體
、降低測試實驗室的濕度，並采用保護。

保bao護hu是shi由you一yi個ge低di阻zu源yuan驅qu動dong的de導dao體ti，其qi輸shu出chu為wei或huo接jie近jin高gao阻zu端duan子zi的de電dian勢shi。保bao護hu端duan子zi用yong於yu保bao護hu測ce試shi夾jia具ju和he電dian纜lan絕jue緣yuan電dian阻zu和he電dian容rong。保bao護hu是shi三san軸zhou連lian接jie器qi/電纜的芯屏蔽，如圖10所示。
請(qing)勿(wu)混(hun)淆(xiao)保(bao)護(hu)和(he)屏(ping)蔽(bi)。屏(ping)蔽(bi)通(tong)常(chang)意(yi)味(wei)著(zhe)采(cai)用(yong)金(jin)屬(shu)護(hu)欄(lan)防(fang)止(zhi)靜(jing)電(dian)幹(gan)擾(rao)影(ying)響(xiang)高(gao)阻(zu)電(dian)路(lu)。保(bao)護(hu)則(ze)意(yi)味(wei)著(zhe)使(shi)用(yong)增(zeng)加(jia)的(de)低(di)阻(zu)導(dao)體(ti)
，將(jiang)其(qi)維(wei)持(chi)在(zai)於(yu)高(gao)阻(zu)電(dian)路(lu)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)勢(shi)，它(ta)將(jiang)攔(lan)截(jie)任(ren)何(he)幹(gan)擾(rao)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)。保(bao)護(hu)不(bu)一(yi)定(ding)提(ti)供(gong)屏(ping)蔽(bi)。下(xia)圖(tu)為(wei)保(bao)護(hu)的(de)兩(liang)個(ge)例(li)子(zi)：1)利用保護降低測試夾具導致的漏流，而2)則利用保護降低由於電纜連接產生的漏流。

圖11所示為保護消除可能會通過測試夾具內隔離絕緣體的原理。在圖11a中，漏流(IL)通過隔離絕緣體(RL)。該漏流增加至來自於DUT (IDUT)，然後被SMU安培計測得(IM)
，對小電流測量的準確度造成不利影響。
在圖11b中
，金屬安裝板被連接至SMU的保護端子。隔離絕緣體頂部和底部的電壓接近相同電勢(0V壓降)，所以在隔離絕緣體中就不會有漏流影響測量準確度。由於金屬安裝板將處於保護電勢，所以為安全起見
，金屬屏蔽必須連接至地。