分析系統優(yōu)化小電流測量（下）

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所示為驅動(dòng)保護防止電纜的漏泄電阻影響小電流測量的原理.在無(wú)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，三軸電纜的內芯屏蔽被連接至SMU的保護端子?，F在，該屏蔽由一個(gè)單位增益低阻放大器(保護)驅動(dòng)。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(shí)三軸電纜和同軸電纜的結果，圖13中繪出了采用10V階躍函數測量100GΩ電阻的測量電流和時(shí)間的關(guān)系圖。三軸電纜通過(guò)使用保護，以?xún)煞N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(shí)間常數或建立時(shí)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果比較

        從圖13可知，利用帶有保護的三軸電纜進(jìn)行測量，漏流較小(低幾個(gè)pA)，建立時(shí)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(shí)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(shí)，除了使用屏蔽和保護電纜，將吉時(shí)利4200-SCS的相應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(huì )導致電流偏移和測量不穩定。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(diǎn)。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(diǎn)。最小電阻點(diǎn)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(diǎn)，共模電流就會(huì )通過(guò)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(shí)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(pán)。晶圓上的柵極端子為最大阻抗點(diǎn),保護吸盤(pán)為低阻抗點(diǎn)，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(pán)；然而，電流并不通過(guò)安培計，因此不會(huì )影響測量。

 
圖14. 將SMU連接至保護吸盤(pán)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(pán)。在這種情況下，共模電流將通過(guò)SMU以及DUT。這會(huì )造成測量不準確，甚至不穩定。

VIIII摩擦效應

        摩擦電流是由于導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(kāi)導體，造成電荷不平衡，由此產(chǎn)生電流。這種噪聲電流可達到數十nA。圖15所示為摩擦電流的流向。

        吉時(shí)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體柱，均衡了電荷，并將電纜運動(dòng)的摩擦效應產(chǎn)生的電荷降至最小。然而，即使這種類(lèi)型的三軸電纜在受到振動(dòng)和膨脹或收縮時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生噪聲。因此，所有連接應盡量短，避免溫度變化(將產(chǎn)生熱膨脹力)，最好將電纜綁到不振動(dòng)表面，例如墻、桌子或剛性結構。

 
圖15. 摩擦效應產(chǎn)生的偏移電流

應采取其他措施將運動(dòng)和振動(dòng)問(wèn)題降至最?。?br />
• 消除或機械去耦振動(dòng)源，例如馬達、泵，以及其他機電裝置。
• 將電子元件、接線(xiàn)和電纜牢固地安裝或綁好。
• 使前置放大器盡量靠近DUT。

壓電效應和電荷存儲效應

        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力時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生壓電電流。在有些塑料中，少量的存儲電荷就會(huì )導致該材料的行為類(lèi)似于壓電材料。圖16所示為采用壓電絕緣體的端子的一個(gè)例子。
 

         圖16. 壓電效應產(chǎn)生的電流

        為了將這些效應降至最小，請消除絕緣體的機械應力，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

        高濕度或離子污染會(huì )大大降低測試夾具的絕緣電阻。凝露或吸水性會(huì )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(huì )對高阻測量產(chǎn)生嚴重影響。此外，濕度或潮濕可能會(huì )與出現的污染相組合，形成會(huì )產(chǎn)生偏移電流的電化效應。例如，常用的環(huán)氧印制電路板，如果沒(méi)有徹底清除蝕刻溶液、焊接劑或其他污染，就會(huì )在導體之間產(chǎn)生幾個(gè)nA的電流(參見(jiàn)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(huì )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倍)。接地環(huán)路時(shí)由于測試電路中多處接地造成的。當大量?jì)x器插入至不同儀器架上的電源接線(xiàn)板時(shí)，就會(huì )形成典型的接地環(huán)路。接地點(diǎn)之間的電勢往往存在微小差異，由此就會(huì )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(gè)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(guò)的是小電阻，無(wú)論是導體還是在連接點(diǎn)。該小電阻產(chǎn)生的壓降會(huì )影響性能。
為避免接地環(huán)路，測試系統應單點(diǎn)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斷開(kāi)，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(jìn)行敏感的電流測量，確認問(wèn)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(guò)一個(gè)。

        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(wú)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(mén)合頁(yè)、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(huì )嚴重影響敏感電流測量。DUT的源阻抗和源電容都會(huì )影響SMU的噪聲性能。
DUT的源阻抗會(huì )影響SMU的反饋安培計的噪聲性能。當源電阻減小時(shí)，安培計的噪聲增益將增大。圖20所示為反饋安培計的簡(jiǎn)化模型。
在該電路中：
RS =源電阻
CS =源電容
VS =源電壓
VNOISE =安培計的噪聲電壓
 

             圖20. 反饋安培計的簡(jiǎn)化模型

RF =反饋電阻
CF =反饋電容

電路的噪聲增益可由下式給出： 


 
        請注意，當源電阻(RS)減小時(shí)，輸出噪聲增大。由于降低源電阻會(huì )對噪聲性能產(chǎn)生不利影響，所以在表1中根據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(huì )影響SMU的噪聲性能。一般情況下，源電容增大時(shí)，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(guò)連接一個(gè)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(jìn)行測量。二極管作為一個(gè)可變電阻，當源電容的充電電流為高時(shí)，其阻值很小，然后隨著(zhù)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(huà)，可將測試系統的內部和外部偏移從將來(lái)的測量結果中減去。首先，如上所述，在輸入戴有金屬帽的情況下對SMU進(jìn)行自動(dòng)校準。然后，確定每個(gè)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果中減去。為了進(jìn)行極低電流的測量，應定期重新測量平均偏移電流(至少每月一次)。

結論

        當配備可選的吉時(shí)利4200-PA型遠程前置放大器時(shí)，4200-SCS型半導體特性分析系統可準確測量pA級或更小的電流。應通過(guò)測量整個(gè)測量系統的偏移電流來(lái)確定系統的限制，必要時(shí)進(jìn)行調節?？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置，包括留有足夠的建立時(shí)間。吉時(shí)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 (含在系統軟件中)
Keithley Instruments，低電平測量手冊，2004年第6版。