VII 漏流和保護II
　　保護亦可用于減小電纜連接中的漏流。圖12所示為驅(qū)動保護防止電纜的漏泄電阻影響小電流測量的原理.在無保護的配置中,，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量,。
　
　　在保護電路中，三軸電纜的內(nèi)芯屏蔽被連接至SMU的保護端子。現(xiàn)在,，該屏蔽由一個單位增益低阻放大器(保護)驅(qū)動。Force HI端子和保護端子之間的電勢差接近0V,，所以漏流(IL)可忽略不計,。

圖12. 利用保護減小電纜連接中的漏流

　　為了查看測量極高電阻時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)測量100GΩ電阻的測量電流和時間的關(guān)系圖,。三軸電纜通過使用保護,，以兩種方式改善了測量：1)它減小了有效電纜電容，從而降低了測量的RC時間常數(shù)或建立時間,；2)防止電纜中的漏流對測量準確度造成不利影響,。

圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結(jié)果比較

　　從圖13可知，利用帶有保護的三軸電纜進行測量,，漏流較小(低幾個pA),，建立時間更短(大約快10倍)。如果SMU必須連接至采用BNC連接器的測試夾具,，請在SMU和測試夾具之間使用吉時利三軸電纜,，然后再將BNC連接至三軸適配器(去掉了保護)，從而將電纜連接至測試夾具,。
　
VIII SMU至DUT的連接
　　連接DUT時,，除了使用屏蔽和保護電纜，將吉時利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端子連接不合適會導(dǎo)致電流偏移和測量不穩(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)連接至被測電路的最大電阻點,。同樣，總是將4200-SCS的低阻端子(Force LO)連接至被測電路的最小電阻點,。最小電阻點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，共模電流就會通過測量電路,。
　
　　圖14中標出了正確和不正確的測量連接,。圖14a中的連接是正確的，因為吉時利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的吸盤,。晶圓上的柵極端子為最大阻抗點,保護吸盤為低阻抗點,，所以該電路的連接正確。請注意,，共模電流從SMUde Force LO端子流至保護吸盤,；然而，電流并不通過安培計,，因此不會影響測量,。

圖14. 將SMU連接至保護吸盤上的器件

　　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端子連接至保護吸盤,。在這種情況下，共模電流將通過SMU以及DUT,。這會造成測量不準確,，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,。這種噪聲電流可達到數(shù)十nA,。圖15所示為摩擦電流的流向。
　
　　吉時利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,。石墨提供了潤滑和導(dǎo)體柱，均衡了電荷,，并將電纜運動的摩擦效應(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和膨脹或收縮時,，也會產(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)采取其他措施將運動和振動問題降至最?。?br /> 　　•消除或機械去耦振動源,，例如馬達、泵，以及其他機電裝置,。
　　•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械應(yīng)力時,，就會產(chǎn)生壓電電流。在有些塑料中,，少量的存儲電荷就會導(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,，請消除絕緣體的機械應(yīng)力,，并使用具有最小壓電和電荷存儲的絕緣材料。
　
十 污染和濕度效應(yīng)
　　高濕度或離子污染會大大降低測試夾具的絕緣電阻,。凝露或吸水性會產(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,。絕緣電阻降低會對高阻測量產(chǎn)生嚴重影響,。此外，濕度或潮濕可能會與出現(xiàn)的污染相組合,，形成會產(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，就會在導(dǎo)體之間產(chǎn)生幾個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,，請選擇防吸水的絕緣體，并將濕度保持在適當水平(理想<50%),。此外,，請使測試系統(tǒng)中的全部組件和測試夾具保持清潔，避免污染,。
　
接地環(huán)路
　　接地環(huán)路會產(chǎn)生雜散信號,，可能是直流偏移或交流信號(通常為工頻或工頻的整數(shù)倍)。接地環(huán)路時由于測試電路中多處接地造成的,。當大量儀器插入至不同儀器架上的電源接線板時,，就會形成典型的接地環(huán)路。接地點之間的電勢往往存在微小差異,，由此就會產(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接地環(huán)路，是因為將4200信號公共端子(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的是小電阻,，無論是導(dǎo)體還是在連接點。該小電阻產(chǎn)生的壓降會影響性能,。
　
　　為避免接地環(huán)路,，測試系統(tǒng)應(yīng)單點接地。如果不能消除DUT的地,，那么4200的GNDU COMMON端子和機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,，請將懷疑的儀器從交流電源拔出,，并進行敏感的電流測量，確認問題已經(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一個,。
　
光
　　有些元件,，例如二極管和晶體管是卓越的光檢測器。因此,，必須在無光環(huán)境下測試這些元件,。為了確保測量準確度，檢查測試夾具在門合頁,、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
　　噪聲會嚴重影響敏感電流測量。DUT的源阻抗和源電容都會影響SMU的噪聲性能,。
　
　　DUT的源阻抗會影響SMU的反饋安培計的噪聲性能,。當源電阻減小時，安培計的噪聲增益將增大,。圖20所示為反饋安培計的簡化模型,。
　
　　在該電路中：
　
　　R_S =源電阻
　　C_S =源電容
　　V_S =源電壓
　　V_NOISE =安培計的噪聲電壓

圖20. 反饋安培計的簡化模型

　　R_F =反饋電阻
　　C_F =反饋電容
　
　　電路的噪聲增益可由下式給出：

　　
　　請注意，當源電阻(R_S)減小時,，輸出噪聲增大,。由于降低源電阻會對噪聲性能產(chǎn)生不利影響，所以在表1中根據(jù)電流測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的源電容也會影響SMU的噪聲性能,。一般情況下,，源電容增大時,，噪聲增益也隨之增大。盡管最大源電容值存在限值，但是通過連接一個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行測量,。二極管作為一個可變電阻，當源電容的充電電流為高時,，其阻值很小,，然后隨著電流的減小而增大。
　
十二 偏移補償
　　在確定并減小外部誤差后,，如果可能的話,，可將測試系統(tǒng)的內(nèi)部和外部偏移從將來的測量結(jié)果中減去。首先,，如上所述,，在輸入戴有金屬帽的情況下對SMU進行自動校準。然后,，確定每個SMU至探針的偏移,。利用軟件中的公式計算器工具，可將該平均偏移從隨后的電流測量結(jié)果中減去,。為了進行極低電流的測量,，應(yīng)定期重新測量平均偏移電流(至少每月一次)。
　
結(jié)論
　　當配備可選的吉時利4200-PA型遠程前置放大器時,，4200-SCS型半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)可準確測量pA級或更小的電流,。應(yīng)通過測量整個測量系統(tǒng)的偏移電流來確定系統(tǒng)的限制，必要時進行調(diào)節(jié),?？刹捎靡恍┘夹g(shù)減小測量誤差源，例如屏蔽,、保護,、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間,。吉時利的低電平測量手冊提供了關(guān)于優(yōu)化低電平測量技術(shù)的更多信息。
　
更多參考
　　Keithley Instruments,，4200-SCS型參考手冊,，第5章 (含在系統(tǒng)軟件中)
　　Keithley Instruments，低電平測量手冊,，2004年第6版,。