I分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量- 引言
許多關(guān)鍵應(yīng)用都需要能夠測量小電流的能力——比如pA級或更小。這些應(yīng)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(dǎo)體特性分析系統(tǒng)配備可選的4200-PA型遠(yuǎn)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(dá)1E–16A。成功測量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計,，例如4200-SCS型,，而且還取決于系統(tǒng)的交互測試環(huán)境(KITE)軟件進(jìn)行正確設(shè)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(zhǔn)確度的技術(shù)。本文介紹利用吉時利4200-SCS型優(yōu)化小電流測量的最佳解決方案,。
測量系統(tǒng)中的偏移電流
將系統(tǒng)配置為進(jìn)行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個測量系統(tǒng)的偏移和漏泄電流,，包括4200-SCS本身、連接電纜,、開關(guān)矩陣,、測試夾具和探針,。這可確定整個系統(tǒng)的噪底限值，并設(shè)置一個開始點(diǎn),，如果可能的話則進(jìn)行改進(jìn),。從測量源測量單元(SMU)的偏移開始，然后繼續(xù)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(yuǎn)程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進(jìn)行測量。
II分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量——內(nèi)部偏移
對于理想的安培計,，當(dāng)其輸入端子保持開路時,，其讀數(shù)應(yīng)為零。然而,，現(xiàn)實中的安培計在輸入開路時確實存在小電流,。這一電流被稱為輸入偏移電流，是由于有源器件的偏置電流以及流過儀器中絕緣體的漏泄電流產(chǎn)生的,。SMU內(nèi)產(chǎn)生的偏移電流已包括在吉時利4200-SCS型的技術(shù)指標(biāo)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,。
圖1. SMU的輸入偏移電流
測量每個帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時，F(xiàn)orce 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系統(tǒng)中,。在進(jìn)行所有測量之前，SMU應(yīng)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(yù)熱至少1個小時,。如果系統(tǒng)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:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項目,，選擇SMU1offset ITM,。點(diǎn)擊圖表標(biāo)簽，并運(yùn)行測試,。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形,。可能需要利用自動縮放(Auto Scale)功能適當(dāng)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(yīng)該在fA級,。電流偏移可為正或負(fù)。根據(jù)公布的4200-SCS型的安培計技術(shù)指標(biāo)驗證這些結(jié)果,。
利用獨(dú)立ITM對系統(tǒng)中的每個SMU重復(fù)該項測試,。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個SMU進(jìn)行偏移電流測量的ITM,。
運(yùn)行7.1版本之前的KTEI軟件的系統(tǒng)也很容易測量偏移電流。請按照以下步驟創(chuàng)建測試,，對SMU1進(jìn)行測量：
1. 在已創(chuàng)建的項目中,，打開一個用于一般2端器件的新Device Plan(器件規(guī)劃)。
創(chuàng)建一個名稱為SMU1Offset的新ITM,。為端子A選擇SMU1,，端子B選擇GNDU。
圖2. SMU1的偏移電流測量
1. 在Definition標(biāo)簽頁中進(jìn)行如下設(shè)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(biāo),。
公式計算器：創(chuàng)建一個公式，利用標(biāo)準(zhǔn)差測量噪聲,，NOISE=STDDEV(A1),。
再創(chuàng)建一個公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。
2. 在Graph標(biāo)簽頁中進(jìn)行如下設(shè)置(在圖形上右擊)：
定義圖形：X軸：時間
Y1軸：電流(A1)
數(shù)據(jù)變量：選擇在圖形上顯示NOISE,。選擇在圖形上顯示AVGCURRENT,。
完成配置后，保存測試并運(yùn)行,。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形,。對系統(tǒng)中的全部SMU重復(fù)該測試,。
在KITE中執(zhí)行自動校準(zhǔn)程序,，可優(yōu)化輸入偏移電流技術(shù)指標(biāo)。如需執(zhí)行SMU自動校準(zhǔn),，在KITE的工具菜單中點(diǎn)擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動校準(zhǔn)),。進(jìn)行自動校準(zhǔn)之前，使系統(tǒng)在上電后預(yù)熱至少60分鐘,。除金屬帽之外,，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?qū)ο到y(tǒng)中全部SMU的全部源和測量功能調(diào)節(jié)電流和電壓偏移,。請勿將其與全系統(tǒng)校準(zhǔn)混淆,，后者應(yīng)每年在吉時利工廠進(jìn)行一次。
完成SMU自動校準(zhǔn)后,，即可重復(fù)進(jìn)行偏移電流測量,。
III分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量——外部偏移
確定了安培計的偏移電流后,，將系統(tǒng)的其余部分逐步添加至測試電路，通過重復(fù)電流(0V)和時間圖,，驗證系統(tǒng)其余部分的偏移(利用圖3中所示的“Append Run”按鈕),。最后，在“up”位置對探針末端或未連接器件的測試夾具進(jìn)行測量,。該過程將有助于確定任何故障點(diǎn),，例如短路的電纜或測量電路中的不穩(wěn)定性。然而,，要意識到,，連接和斷開電纜都會在電路中產(chǎn)生電流。為了進(jìn)行超低電流測量,，可能有必要在改變測試電路的連接后等待幾分鐘至幾個小時,，使雜散電流衰減。圖4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(guān)矩陣至探針臺，“up”位置有一個探針,。
圖3. Append按鈕
圖4. 整個測試系統(tǒng)的偏移電流測量
在生成電流-時間圖形時施加一個測試電壓,，重復(fù)該項測試，確定測量電路中的漏泄電流,。在DUT的實際測量中,，使用的是測試電壓，而非零偏壓?，F(xiàn)在,，將測量并繪制測試夾具和電纜中的任何漏流。如果漏流太高,，可對測量電路進(jìn)行調(diào)節(jié),，減小漏流。關(guān)于減小漏流的方法信息,，請參見本文“漏流和保護(hù)”部分,。
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(wěn)定性后,，采取措施減小測量誤差將有助于提高測量準(zhǔn)確度,。這些誤差源包括建立時間不足、靜電干擾,、漏泄電流,、摩擦效應(yīng)、壓電效應(yīng)、污染,、濕度,、接地環(huán)路，以及源阻抗,。圖5中匯總了本節(jié)討論的部分電流的幅值,。
圖5. 產(chǎn)生電流的典型幅值
建立時間和定時菜單設(shè)置
測量電路的建立時間在測量小電流和高電阻時尤其重要。建立時間是指施加或改變電流或電壓后測量達(dá)到穩(wěn)定的時間,。影響測量電路建立時間的因素包括并聯(lián)電容(CSHUNT)和源電阻(RS),。并聯(lián)電容是由于連接電纜、測試夾具,、開關(guān)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(biāo)出了并聯(lián)電容和源電阻,。
圖6. 包含CSHUNT和RS的SMU測量電路
建立時間是RC時間常數(shù)τ的結(jié)果，其中：
τ = RSCSHUNT
以下為計算建立時間的一個例子,，假設(shè) CSHUNT = 10pF,，RS = 1TΩ，那么：
τ = 10pF × 1TΩ = 10s
因此,，讀數(shù)穩(wěn)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(shù)響應(yīng),。經(jīng)過一個時間常數(shù)(τ = RC)后,，電壓上升至最終值的63%。
圖7. RC電路的階躍電壓指數(shù)響應(yīng)
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。對于掃描模式,，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時)菜單中添加建立時間,；對于采樣模式，則在“Interval time”域內(nèi),。為了確定需要增加多長間隔時間,，通過繪制電流-時間圖,，測量DUT穩(wěn)定至某個階躍電壓的建立時間,。階躍電壓應(yīng)該是DUT實際測量中使用的偏執(zhí)電壓?？衫肔owCurrent項目中的ITM測量建立時間,。應(yīng)適當(dāng)增加“Timing”(定時)菜單中的“#Samples”，以確保穩(wěn)定后的讀數(shù)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電磁干擾和屏蔽
當(dāng)帶電物體接近被測電路時,，會發(fā)生靜電耦合或干擾。低阻抗時,，由于電荷消失很快,，所以干擾的影響不明顯。然而,，高電阻材料不會使電荷快速衰減,，則會造成測量不穩(wěn)定、噪聲很大,。通常情況下,，當(dāng)被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時，靜電干擾就會成為問題,。
為了減小靜電場影響,，被測電路可被密封在一個靜電屏內(nèi)。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,。
圖8. 100GΩ電阻的屏蔽和非屏蔽測量的比較
屏蔽可以僅僅是一個將測試電路包圍起來的簡單金屬盒或金屬網(wǎng)。商業(yè)探針臺往往將敏感電路密封在一個靜電屏蔽內(nèi),。屏蔽被連接至測量電路LO端子,，該端子不一定接地。對于4200-SCS來說,，屏蔽連接至Force LO端子,，如圖9所示。
圖9. 屏蔽高阻器件
采取以下步驟將靜電耦合導(dǎo)致誤的差電流降至最?。?br />
• 屏蔽DUT,，并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(dǎo)體遠(yuǎn)離電路的敏感區(qū)域,。
• 測試區(qū)域附近避免移動和振動,。
VI漏流和保護(hù)I
漏流是施加電壓時通過(泄露)電阻的誤差電流。當(dāng)DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當(dāng)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(zhì)量的絕緣體、降低測試實驗室的濕度,，并采用保護(hù),。
保護(hù)是由一個低阻源驅(qū)動的導(dǎo)體，其輸出為或接近高阻端子的電勢,。保護(hù)端子用于保護(hù)測試夾具和電纜絕緣電阻和電容,。保護(hù)是三軸連接器/電纜的芯屏蔽，如圖10所示,。
圖10. 4200三軸連接器/電纜的導(dǎo)體
請勿混淆保護(hù)和屏蔽,。屏蔽通常意味著采用金屬護(hù)欄防止靜電干擾影響高阻電路。保護(hù)則意味著使用增加的低阻導(dǎo)體,，將其維持在于高阻電路相同的電勢,，它將攔截任何干擾電壓或電流。保護(hù)不一定提供屏蔽,。下圖
為保護(hù)的兩個例子：1)利用保護(hù)降低測試夾具導(dǎo)致的漏流,，而2)則利用保護(hù)降低由于電纜連接產(chǎn)生的漏流。
圖11所示為保護(hù)消除可能會通過測試夾具內(nèi)隔離絕緣體的原理,。在圖11a中,，漏流(IL)通過隔離絕緣體(RL)。該漏流增加至來自于DUT (IDUT),，然后被SMU安培計測得(IM),，對小電流測量的準(zhǔn)確度造成不利影響。
圖11. 利用保護(hù)減小測試夾具中的漏流
在圖11b中,，金屬安裝板被連接至SMU的保護(hù)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(zhǔn)確度,。由于金屬安裝板將處于保護(hù)電勢,，所以為安全起見，金屬屏蔽必須連接至地,。