納米材料與器件的電氣測量方法

無(wú)源器件的電測量通常遵循以下簡(jiǎn)單流程：通過(guò)某種方式對樣品進(jìn)行激勵，并測量其對激勵的響應。這種方法也可用于測量具有無(wú)源和有源特性的器件。通過(guò)適當的方法，源-測量(source-measurement)算法可以用于表征能量源。燃料電池和電池的阻抗譜(impedance spectroscopy)就是這類(lèi)測量的實(shí)例。

對納米微粒(nanoscopic particle)來(lái)說(shuō)，這種通用的源-測量測試方法可以定量測量阻抗、電導和電阻，這些測量值揭示材料的關(guān)鍵性能。即便材料最終并非應用于電路，這種測量方法仍然適用。

需要注意的問(wèn)題

測量納米微粒需要重點(diǎn)注意以下情況：

1. 納米微粒無(wú)法承受宏觀(guān)器件負載的電流值(除非是超導材料)。這意味著(zhù)測試時(shí)，必須小心控制電流激勵的大小。

2. 納米微粒無(wú)法承受傳統電子器件或材料(例如晶體管)與周?chē)骷g那么高的電壓。其原因是器件的尺寸較小，彼此的距離更近，質(zhì)量也更小，周?chē)鷱婋妶?chǎng)產(chǎn)生的力會(huì )影響器件。此外，同納米微粒相關(guān)的內部電場(chǎng)強度也很高，因此施加電壓時(shí)要非常小心。

3. 由于納米器件很小，產(chǎn)生的寄生電感和電容也較低，這一特點(diǎn)在電路應用中尤為突出。與類(lèi)似的宏觀(guān)器件相比，其開(kāi)關(guān)速度更快、功率損耗更低。然而，這也意味著(zhù)測量此類(lèi)器件I-V曲線(xiàn)的測試儀器在跟蹤較短反應時(shí)間的同時(shí)必須對小電流進(jìn)行測量。

因為納米級測試應用中激勵和測量的電流值一般都很低，需要恰當地選擇和使用儀器來(lái)完成精確的電氣特性測試。除了靈敏度高之外，測量?jì)x器的響應時(shí)間也要短(有時(shí)也稱(chēng)為高頻寬)，這些要求與DUT的低電容值以及低電流時(shí)迅速的狀態(tài)轉換有關(guān)。

測量拓撲結構的選擇

需要指出的是，源-測量測試的電路開(kāi)關(guān)速度受到使用的儀器跟隨器件狀態(tài)的速度限制。如果測試的拓撲結構沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，這一點(diǎn)尤為突出?，F有的測量拓撲結構是電流源/測量電壓或電壓源/測量電流兩種。

在測量低阻抗器件(低于1000Ω)時(shí)，電流源/測量電壓的方法通常會(huì )獲得最好的結果。穩定的電流源加載到低阻抗器件時(shí)，較容易得到好的信噪比，這樣可以實(shí)現精確的低電壓響應測量。

另一種選擇是電壓源/測試電流，但這種方法并不適合低阻抗測量。為了保持器件的低電流以及避免毀壞性發(fā)熱，要求施加的電壓極低。低電壓情況下，電壓源會(huì )將額外的噪聲引入到測量電流(響應)中。換言之，在加載的總電壓中很大一部分是電壓源的噪聲電壓。另外，低阻抗負載情況下電壓源穩定性也差一些。有些電流測量問(wèn)題與儀器的電壓負擔(安培計輸入端產(chǎn)生的電壓)有關(guān)，這也會(huì )引入額外的誤差。

測量高阻抗器件(阻抗值大于10,000Ω)時(shí)，電壓源/測量電流的方法是最好的選擇。很容易實(shí)現驅動(dòng)高阻抗的穩定電壓源。當將一個(gè)設計良好的電壓源加載到高阻抗器件時(shí)，將對DUT和測試電纜的雜散電容快速充電，并迅速達到最終的輸出值。采用適當的安培計可以精確地測量DUT的低電流響應。

另一種方法是電流源/測量電壓，這種方法在高阻抗測量中將會(huì )出現問(wèn)題。為了在實(shí)際測量中保持電壓響應足夠低，必須采用低電流值，這意味著(zhù)電路要用很長(cháng)時(shí)間對器件和測試電纜的雜散電容充電。此外，高電壓測量電路也會(huì )從DUT中分流一部分源電流。由于這部分電流沒(méi)有被測量，因而這部分電流會(huì )造成測量誤差。

電噪聲

測量的拓撲結構也會(huì )影響電噪聲，并最終限制測量的靈敏度和精度。對于采用電流源激勵的低阻抗電壓測量來(lái)說(shuō)，測量電路對DUT的電壓噪聲和阻抗較為靈敏。

對宏觀(guān)器件來(lái)說(shuō)，例如一個(gè)電阻，室溫下(270oK)的Johnson噪聲電壓可以表示為：

該公式顯示，隨著(zhù)DUT電阻R的降低，DUT產(chǎn)生的Johnson電壓噪聲也隨之降低。與此相反，由電壓源激勵的高阻抗器件則受到電流測量噪聲的限制。在270oK時(shí)電阻的Johnson電流噪聲為：

這個(gè)公式表明隨著(zhù)DUT電阻值的提高噪聲值會(huì )降低。

對于所有尺寸的微粒來(lái)講，除Johnson噪聲之外，還可能存在與選擇的測量拓撲結構有關(guān)的噪聲增益。噪聲增益指的是測量系統中噪聲的寄生放大，如果選擇正確的測量拓撲結構，這種噪聲增益將不存在。例如，在一個(gè)電壓源/測量電流的拓撲結構中，在很多電流測量電路(安培計)中都采用運算放大器，如圖1所示。為了減小噪聲增益，對于非反向輸入端子，安培計電路必須在低增益條件下工作。

圖1: (a)電壓源/測量電流方法的電路模型。(b)在DUT阻抗值低于測量阻抗時(shí)，用改進(jìn)的模型描述噪聲增益。

源-測量?jì)x器

商用的直流源-測量單元(SMU)是一種可用于納米材料和器件測試的便利工具。SMU可以自動(dòng)改變測量拓撲結構，例如可以在電壓源/測量電流和電流源/測量電壓之間迅速轉換。這樣可以在最大化測量速度和精度的同時(shí)很容易地降低測量噪聲。

像前面提到的碳納米管(CNT)那樣，一些納米微粒應用于不同外場(chǎng)時(shí)會(huì )改變狀態(tài)。當進(jìn)行此類(lèi)材料的研究時(shí)，可以對SMU進(jìn)行配置來(lái)提供電壓源，并對處于高阻態(tài)的納米粒子測量電流。如果材料處于低阻態(tài)，則轉換到電流源/電壓測量來(lái)獲得更高的精度。此外，SMU還帶有電流驗證功能(compliance function)，可以自動(dòng)限制DC電流，防止電流過(guò)大損壞待測器件或材料。類(lèi)似地，當采用電流源時(shí)也有電壓驗證功能。

使用驗證功能時(shí)，SMU可以輸出滿(mǎn)足要求的電流/電壓源值，除非超過(guò)了用戶(hù)的驗證值。例如，當SMU設定在電壓源狀態(tài)，并預設了驗證電流值，如果超過(guò)了這個(gè)驗證值，SMU立即自動(dòng)轉換為恒流源，其輸出值將穩定在驗證電流值。類(lèi)似地，如果SMU設定在電流源狀態(tài)，并設定了一個(gè)驗證電壓，當DUT的阻抗和電流源開(kāi)始使電壓高于驗證值時(shí)，SMU將自動(dòng)轉換到電壓源(驗證電壓)狀態(tài)。

像CNT開(kāi)關(guān)之類(lèi)的納米級器件可以快速改變狀態(tài)，而儀器的狀態(tài)轉換則并不能在瞬間完成。對于不同的SMU模式，開(kāi)關(guān)時(shí)間在100ns到100μs之間。盡管對于跟蹤納米微粒的狀態(tài)轉換來(lái)說(shuō)，這樣的開(kāi)關(guān)速度還不夠快，但這么短的時(shí)間已經(jīng)足夠在每個(gè)狀態(tài)下完成精確測量，同時(shí)將DUT的功率損耗限制在可接受水平。