【导读】于半导体测试、纳米科技和高精度绝缘阐发等多种范畴，对于pA级以致更微弱电流的切确丈量已经成为评估器件机能与靠得住性的要害。然而，超低电流丈量极易遭到情况滋扰、仪器噪声和丈量要领自己的显著影响。本文将体系解析丈量中的重要偏差来历，并基在行业实践，为工程师提供一套可操作的高精度丈量引导方案。
于半导体测试、纳米科技和高精度绝缘阐发等多种范畴，对于pA级以致更微弱电流的切确丈量已经成为评估器件机能与靠得住性的要害。然而，超低电流丈量极易遭到情况滋扰、仪器噪声和丈量要领自己的显著影响。本文将体系解析丈量中的重要偏差来历，并基在行业实践，为工程师提供一套可操作的高精度丈量引导方案。
4200A-SCS参数阐发仪配置4200-PA长途前置放年夜器时， 具备最小10aA分辩率（10-16）的非凡低电流丈量能力。小电流的乐成丈量不仅取决在利用像4200A-SCS如许很是敏捷的电流表，还有取决在于体系的Clarius软件中选择适量的设置，利用低噪声夹具及测试电缆，答应充足的积分时间，并利用相干技能来避免影响精度的没必要要电流。本文给出了Keithley最闻名的测试要领建议，用在优化利用4200A-SCS举行低电流丈量。
丈量体系的偏置电流
成立超低电流丈量体系的第一步是确定整个丈量体系的偏置及泄电流，包括4200A-SCS自己、毗连电缆、开关矩阵、测试夹具及探头。这确定了整个体系的噪声下限，并设置了一个出发点，以便于可能的环境下对于体系举行改良。起首丈量源丈量单位（SMU）的偏移量，然后继承添加丈量电路中的组件，直到除了被测（DUT）外所有组件都毗连上。丈量直接利用Clarius软件节制4200-SMU与4200-PA长途前置放年夜器来完成。
内部偏置
抱负的电流表于输入端子为开路的环境下，回读电流巨细应为零。然而，实际环境中电流表于输入端开路时确凿有一些小电流流过。这类电流被称为输入偏置电流，是由有源器件的偏置电流及经由过程仪器内部绝缘体的泄电流孕育发生的。SMU内孕育发生的偏置电流可以参考4200-SMU的技能规格。如图1所示，输入偏置电流加到被测电流上，是以仪表丈量值为两个电流之及：IMEASURE= ISOURCE+ IOFFSET
图1. SMU的输入偏置电流
丈量带有4200-PA前置放年夜器的每一个4200-SMU的偏置时，除了了金属帽外，Force HI及Sense HI端子没有任何毗连。这些金属帽包罗于体系备件中。于举行任何丈量以前，应将前置放年夜器毗连到SMU上，并前置放年夜器的Force HI及Sense HI端子接上金属帽，对于SMU预热至少一小时。偏置电流可使用“Low Current Project”项目来丈量，该项目可以于项目库的选择视图中找到，或者直接搜刮“Low Current”获取。图2显示了Clarius软件运用步伐中的这个项目。
图2. Low Current Project于Clarius运用中
打开这个项目，选择SMU1offset测试项，丈量SMU1的偏置电流。选择Analyze，然后运行测试。成果应该近似在图3所示的图形。可能需要利用主动缩放功效来适量地缩放曲线。右键单击图形可以找到主动缩放功效。当4200-PA前置放年夜器毗连到SMU时，偏置电流应该于fA量级内。偏置电流可所以正的，也能够是负的。可用SMU标的的电流表规格来验证这些成果。应该反复此操尴尬刁难体系中的每一个SMU举行零丁的丈量。Low Current Project会对于四个带前置放年夜器的 SMU举行偏置电流丈量的测试。
图3. SMU1的偏置电流丈量
输入偏移电流规格可以经由过程于Clarius中履行主动校准步伐来举行优化。履行SMU主动校准，请于“Tools”菜单中选择“SMU auto calibration”。于履行主动校准以前，至少需要开机预热60分钟。除了了金属帽外，SMU的force HI及sense HI端子上不该毗连任何工具。主动校准步伐调解体系中所有SMU的所有源及丈量功效中的电流及电压偏置。这里不要与全体系校准相混合，应每一年于授权的机构完成一次对于4200A-SCS 的全体系校准。一旦履行了SMU主动校准，就能够对于偏移电流举行反复丈量。
外部偏置
一旦电流表的偏置已经经确定，于添加测试电路的每个环节后，经由过程反复电流（加载0V）对于时间的图来验证体系其余部门的偏置。每一次反复测试时，以前的运行都生存于汗青运行面板中。末了，对于处在“UP”位置的探头结尾或者对于未毗连装备的测试夹具举行丈量。这一历程将有助在确定妨碍点，如电缆短路或者丈量电路的不不变。可是，要留意毗连及断开电缆时会于电路中孕育发生电流。对于在举行超低电流丈量，于转变测试电路中的毗连后，可能需要等候几分钟到几小时使寄生电流衰减。图4显示了1）仅接入force HI端子的SMU 的偏移量；2）前置放年夜器上仅带三轴电缆；3）经由过程Keithley 7174A低电流开关矩阵到探针台上处在“UP”位置的探头。
图4. 整个测试体系的偏置电流丈量
于天生电流-时间图时，经由过程施加测试电压来反复此测试，以确定丈量电路中的任何走漏电路。相较施加零伏偏置，利用测试电压加载到DUT长进行现实丈量。此刻测试夹具及电缆中的任何走漏电流将被检测到并表现于图表中。假如走漏电流看起来太高，可以对于丈量电路举行调解，以削减走漏电流。参考标题为“走漏电流及 Guard”的章节，此中描写了削减走漏电流的要领。
丈量偏差的来历及削减丈量偏差的要领
一旦确定了电流偏移、走漏电流及任何不不变性，采纳办法削减丈量偏差将有助在提高丈量精度。这些偏差来历包括不变时间不足、静影戏响、走漏电流、磨擦起电效应、压电效应、污染、湿度、接地回路、光芒及源内阻。图5总结了本节会商的一些孕育发生电流的量级。
图5. 孕育发生电流的典型幅度
不变时间及时间菜单设置
于举行小电流及高电阻丈量时，丈量电路的不变时间尤其主要。不变时间是开启丈量时于施加或者转变电流或者电压后到达不变所需的时间。影响丈量电路不变时间的因素包括并联电容（CSHUNT）及源电阻(RS)。并联电容是由毗连的电缆、测试夹具、开关及探头酿成的。DUT的内阻越高，不变时间越长。并联电容及内阻如图6中的丈量电路所示。
图6. SMU丈量电路包括CSHUNT及RS
是以，需要5τ 或者50秒的不变时间，将读数颠簸不变到终极值的1%之内！图7显示了进入RC电路的阶跃电压的指数相应。颠末一个时间常数（τ =RC）后，电压上升到终极值的63%以上。
图7. RC电路对于阶跃电压的指数相应
要乐成地举行低电流丈量，为每一次丈量添加充足的时间长短常主要的，尤其是扫描电压时。可以于 Sweep Mode的sweep delay字段或者sampling Mode的interval time字段的test setting菜单中举行设置。为了验证要增长几多距离时间，可以经由过程绘制电流与时间到阶跃电压的瓜葛来丈量 DUT的不变时间。步进电压应该是DUT现实丈量中利用的偏置电压。于Low Current Project测试项中可以用来举行不变时间的丈量。
测试设置菜单中的采样点数可能需要增长，以确保不变读数将显示于图形上。于举行低电流丈量时，利用Quite Speed Mode或者添加分外的滤波。需要留意的是，有一个去除了噪声及测试速率的衡量。滤波及延迟越多，噪声就会越少，但丈量速率就会越慢。
静电滋扰及屏蔽
当带电物体靠近被测电路时，就会发生静电耦合或者滋扰。于低阻抗程度下，滋扰的影响其实不较着，由于电荷会迅速消失。然而，高电阻质料不答应电荷快速衰减，这可能致使测试成果的不不变、有较年夜的噪声。凡是，当电流丈量≤1nA或者电阻丈量≥1GΩ时，静电滋扰是丈量中必需思量的一个问题。
为了削减电场的影响，可以将被丈量的电路关闭于静电屏蔽壳体中。图8申明了100GΩ电阻器的非屏蔽及屏蔽丈量之间的巨年夜差异。未屏蔽的丈量比屏蔽的丈量噪声年夜患上多。
图8. 100GΩ电阻器上的屏蔽与非屏蔽丈量
屏蔽可以只是一个简朴的金属盒或者网格罩，包裹测试电路。商用探针台凡是将敏感电路关闭于静电屏蔽内。屏蔽毗连到丈量电路LO端，纷歧定接地。于4200-SMU的环境下，屏蔽毗连到如图9所示的 Force LO端子。
图9. 屏蔽装配高阻抗测试
最小化因为静电耦合而孕育发生的偏差电流 :
屏蔽DUT并将外壳及测试电路的大众端，4200A-SCS的Force LO端子短接
所有带电物体（包括人）及导体阔别测试电路的敏感区域
防止于测试区域四周挪动及发生振动
走漏电流及Guard
走漏电流是当施加电压时流经绝缘电阻或者从中走漏的过错电流。当DUT的阻抗与测试电路中绝缘体的阻抗相称时，这类过错电流就成为一个问题。为了削减走漏电流，需要于测试电路中利用质量好的绝缘质料，降低测试试验室的湿度，并利用掩护技能。
Guard是一个由低阻抗源驱动的导体，其输出与高阻抗终端处在或者靠近不异的电位。Guard端子用在掩护测试夹具及电缆的绝缘电阻及电容。Guard端子是图10所示的三轴毗连器/电缆的内部屏蔽。
图10. 4200A三同轴接口、线缆界说
Guard不该与屏蔽混合。屏蔽凡是象征着利用金属外壳来避免静电滋扰影响高阻抗测试电路。Guard象征着利用一个附加的低阻抗导体，与高阻抗电路连结不异的电位，它将阻挡任何关扰电压或者电流。Guard其实不必然提供屏蔽。下面的段落概述了两个Guard的例子：1）利用Guard来削减因为测试夹具酿成的走漏，2）利用 Guard 来削减因为布线酿成的走漏电流。
图11显示了Guard怎样消弭可能流过测试夹具中断绝绝缘质料的走漏电流。于图11a中，走漏电流(IL)流过断绝绝缘质料(RL)。该走漏电流加到DUT(IDUT)的电流中，由SMU电流表(IM)丈量，对于低电流丈量的精度孕育发生倒霉影响。
图11. 利用Guard以削减测试夹具的走漏
图11b中，金属挂板毗连到SMU的Guard端子上。绝缘固定支架的顶部及底部的电压险些处在不异的电位(0V降)，是以不会有走漏电流流过隔板影响丈量精度。出在安全目的，金属屏蔽必需毗连到接所在，由于底部的金属安装板将于Guard电位。
Guard也可用在削减布线中的走漏电流。图12申明了驱动掩护怎样避免电缆的走漏电阻降低低电流丈量的机能。于无掩护配置中，同轴电缆的走漏电阻与DUT(RDUT)平行，孕育发生不需要的走漏电流(IL)。这类走漏电流会减弱微弱电流丈量。
于掩护电路中，三轴电缆的内屏蔽毗连到SMU的Guard端子上。此刻这个屏蔽由一个增益单元、低阻放年夜器(Guard)组成的驱动。ForceHl端子及Guard 端子之间的电位差靠近0V，是以消弭了走漏电流(lL)。
图12. 利用Guard削减电缆中的泄电流
对于比利用三轴电缆及同轴电缆举行高阻丈量时的成果，图13显示了加载10V阶跃电压到100GΩ电阻，电流 vs.时间的测试成果。三同轴电缆启用Guard，从两个方面改良丈量：1）它降低了有用的电缆电容从而降低了RC时间常数或者丈量的不变时间，2）它避免电缆的走漏电阻晋升了丈量精度。
图13. 利用同轴电缆及三轴电缆丈量高阻的成果比照
从图13的图表中可以看到，利用带掩护的三轴电缆可以于丈量电流具备更低的走漏电流（小几PA）及更快的不变时间（约莫快十倍）。
假如SMU必需毗连到带有BNC毗连器的测试夹具，则利用Keithley三轴电缆毗连SMU及测试夹具，然后利用三同轴转BNC的适配器（去除了Guard）将电缆毗连到测试夹具。
SMU毗连到DUT
除了了于毗连DUT时利用屏蔽及Guard外，4200A-SCS与装备的接入位置也长短常主要的。SMU Force Hl及Force Lo端子毗连不妥会致使电流偏移，丈量成果不不变。这些偏差是由共模电流引起的。
一般环境下，始终将SMU的高阻端子（Force HI）毗连到被测电路的最高电阻点上。一样，始终将4200A-SCS的低阻端子（Force LO）毗连到被测电路的最低电阻点。最低电阻点可所以一个大众端子或者接所在。假如Force HI端子毗连到低阻端，那末共模电流可以经由过程丈量电路，从而影响测试成果。
图14给出了准确的及不准确的丈量毗连。图14a为准确的毗连方式，由于4200-SMU的Force Hl端子毗连于晶圆上的被测器件的栅极上，Force LO端子毗连于接地卡盘上。晶圆上的栅极度子是最高阻抗点，接地的卡盘是低阻抗点，以是这个电路是准确毗连。留意，共模电流从SMU的Force LO端子流向接地卡盘；可是，电流不会流过安培计，是以不会影响丈量。
图14. 利用同轴电缆及三轴电缆丈量高阻的成果比照
图14b显示了将高阻栅极度子与SMU的Force LO端子毗连，接地卡盘及SMU的Force HI端子毗连的不得当毗连方式。于这类环境下，共模电流将流过SMU以和DUT。这将致使测试成果的禁绝确，甚至没法不变丈量。
磨擦电效应
磨擦电流是由导体及绝缘体之间因磨擦孕育发生电荷而形成的。于这里，自由电子与导体磨擦，孕育发生电荷不服衡，致使电流流动。这类噪声电流可以于几十nA的规模内。图15展示了磨擦电流的流动环境。
图15. 磨擦电效应孕育发生的偏置电流
与4200A-SCS配套利用的三轴电缆经由过程于外层屏蔽下利用石墨浸渍绝缘质料，年夜年夜降低了这类影响。石墨供润滑及一个导电圆筒，以平衡电荷，并将电缆运动孕育发生的磨擦效应孕育发生的电荷降至最低。然而，纵然是这类类型的三轴电缆，于遭到振动、膨胀或者紧缩时也会孕育发生一些噪声。是以，所有毗连都应尽可能的短，阔别温度变化（这会孕育发生热膨胀力），最佳用胶带或者轧带将电缆固定到非振动外貌，如墙壁、事情台或者刚性布局上。
还有应采用其他技能来只管即便削减挪动及振动问题：
移除了振动源，如机电、泵及其他电机装备，或者者利用机械减震
安全地安装或者固定电子元件、电线及电缆
安装前置放年夜器时，尽可能接近被测
压电及存储电荷效应
当某些晶体质料利用绝缘端子及互联硬件固按时，施加机械应力就会孕育发生压电电流。于某些塑猜中，贮存的电荷使质料体现出近似在压电质料的特征。图16所示为带有压电绝缘体的端子的一个例子。
图16. 压电效应孕育发生的偏置电流
为了使这些影响最小化，需要从绝缘体消弭机械应力及利用尽可能小的压电及贮存电荷的绝缘质料。
污染及湿度影响
高湿度或者离子污染可显著降低测试夹具的绝缘电阻。高湿度前提下会发生冷凝或者吸水，而离子污染多是人体油脂、盐或者焊料助焊剂的成果。绝缘电阻的降低会对于高阻抗丈量孕育发生严峻的影响。此外，湿度或者湿气可以与任何污染物联合，孕育发生电化学效应，从而孕育发生偏置电流。例如，经常使用的环氧印刷电路板，当蚀刻液、助熔剂或者其他污染物未被完全洗濯时，可于导体之间孕育发生几nA的电流（见图17）。
图17. 离子污染及湿度孕育发生的电流
为了不污染及湿度的影响，选择抗水份接收的绝缘子，并连结湿度于中等程度（抱负环境下 50%）。此外，确保测试体系中的所有组件及测试夹具连结清洁及无污染。
地回路
地回路可以孕育发生杂散旌旗灯号，多是直流偏置或者AC旌旗灯号（凡是是工频或者工频的倍数）。接地回路是由测试电路中的多个接地引起的。接地回路的一个典型例子是将多个仪器插入差别仪器架上的电源排。凡是，接所在之间存于微小的电位差，这可能会致使出产年夜电流，并孕育发生意想不到的电压降落。
图18所示的配置显示了经由过程将4200A-SCS旌旗灯号大众（Force LO）及DUT LO毗连到地而组成的接地回路。回路中流过的年夜接地电流会碰到小电阻，要末于导体中，要末于毗连点上。这个小电阻会致使电压降落，从而影响机能。
为了避免接地回路，测试体系应该只于一个点接地。假如不克不及撤除DUT接地，则应撤除4200A-SCS GNDU大众端子与机箱接地之间的接地链路，如图19所示。
图18. 地回路
图19. 消弭接地回路
结论
当配置可选的4200-PA长途前置放年夜器时，4200A-SCS参数阐发仪可以切确丈量皮安或者更小的电流。要丈量整个丈量体系的偏置电流，以确定体系的局限性，是以可以于须要时举行调解。经由过程利用诸如屏蔽、Guard及仪器适量接地等技能，以和于Clarius软件中选择适量的设置，包括答应充足的不变时间，可以削减丈量偏差的来历。Keithley的《低电平丈量手册》提供了关在最好低电流丈量技能的进一步道理性描写。
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