利用吉時(shí)利4200-SCS型優(yōu)化小電流測量的最佳解決方

I分析系統優(yōu)化小電流測量- 引言

許多關(guān)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型半導體特性分析系統配備可選的4200-PA型遠程前置放大器時(shí)，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(lài)于使用非常靈敏的安培計，例如4200-SCS型，而且還取決于系統的交互測試環(huán)境(KITE)軟件進(jìn)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(shí)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(shù)。本文介紹利用吉時(shí)利4200-SCS型優(yōu)化小電流測量的最佳解決方案。

測量系統中的偏移電流

將系統配置為進(jìn)行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個(gè)測量系統的偏移和漏泄電流，包括4200-SCS本身、連接電纜、開(kāi)關(guān)矩陣、測試夾具和探針。這可確定整個(gè)系統的噪底限值，并設置一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)，如果可能的話(huà)則進(jìn)行改進(jìn)。從測量源測量單元(SMU)的偏移開(kāi)始，然后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(jìn)行測量。

II分析系統優(yōu)化小電流測量——內部偏移

對于理想的安培計，當其輸入端子保持開(kāi)路時(shí)，其讀數應為零。然而，現實(shí)中的安培計在輸入開(kāi)路時(shí)確實(shí)存在小電流。這一電流被稱(chēng)為輸入偏移電流，是由于有源器件的偏置電流以及流過(guò)儀器中絕緣體的漏泄電流產(chǎn)生的。SMU內產(chǎn)生的偏移電流已包括在吉時(shí)利4200-SCS型的技術(shù)指標中。如圖1所示，輸入偏移電流增加至被測電流，所以?xún)x表測量的是兩個(gè)電流之和。

圖1.SMU的輸入偏移電流

測量每個(gè)帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時(shí)，ForceHI和SenseHI端子上除金屬帽外不連接任何東西。這些三銷(xiāo)金屬帽已包含在系統中。在進(jìn)行所有測量之前，SMU應該在帶有連接至前置放大器的ForceHI和SenseHI端子的金屬帽的條件下，預熱至少1個(gè)小時(shí)。如果系統安裝有7.1版或更高版本的KTEI，可采用以下目錄中名稱(chēng)為“LowCurrent”的項目測量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent

打開(kāi)該項目，選擇SMU1offsetITM。點(diǎn)擊圖表標簽，并運行測試。結果應類(lèi)似于圖2所示的圖形?？赡苄枰米詣?dòng)縮放(AutoScale)功能適當縮放曲線(xiàn)。在圖形上右擊，即可找到自動(dòng)縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時(shí)，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(shù)指標驗證這些結果。

利用獨立ITM對系統中的每個(gè)SMU重復該項測試。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個(gè)SMU進(jìn)行偏移電流測量的ITM。

運行7.1版本之前的KTEI軟件的系統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(kāi)一個(gè)用于一般2端器件的新DevicePlan(器件規劃)。

創(chuàng )建一個(gè)名稱(chēng)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標簽頁(yè)中進(jìn)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(gè)樣本，1s保持時(shí)間，選中使能時(shí)標。

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

再創(chuàng )建一個(gè)公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。

2.在Graph標簽頁(yè)中進(jìn)行如下設置(在圖形上右擊)：

定義圖形：X軸：時(shí)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。

完成配置后，保存測試并運行。結果應類(lèi)似于圖2所示的圖形。對系統中的全部SMU重復該測試。

在KITE中執行自動(dòng)校準程序，可優(yōu)化輸入偏移電流技術(shù)指標。如需執行SMU自動(dòng)校準，在KITE的工具菜單中點(diǎn)擊“SMUAutoCalibration”(SMU自動(dòng)校準)。進(jìn)行自動(dòng)校準之前，使系統在上電后預熱至少60分鐘。除金屬帽之外，SMU的ForceHI和SenseHI端子上不應連接任何東西。自動(dòng)校準程序對系統中全部SMU的全部源和測量功能調節電流和電壓偏移。請勿將其與全系統校準混淆，后者應每年在吉時(shí)利工廠(chǎng)進(jìn)行一次。

完成SMU自動(dòng)校準后，即可重復進(jìn)行偏移電流測量。

III分析系統優(yōu)化小電流測量——外部偏移

確定了安培計的偏移電流后，將系統的其余部分逐步添加至測試電路，通過(guò)重復電流(0V)和時(shí)間圖，驗證系統其余部分的偏移(利用圖3中所示的“AppendRun”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(guò)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定性。然而，要意識到，連接和斷開(kāi)電纜都會(huì )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(gè)小時(shí)，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ForceHI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(guò)吉時(shí)利7174A型小電流開(kāi)關(guān)矩陣至探針臺，“up”位置有一個(gè)探針。

圖3.Append按鈕