利用吉時利4200-SCS型優(yōu)化小電流測量的最佳解決方案

時間：2012-10-10 11:40:33

關(guān)鍵字：小電流電流測量 4200-SCS SMU

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[導(dǎo)讀]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

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，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)orceHI和SenseHI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ForceHI和SenseHI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SMU1offsetITM。點擊圖表標(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(AutoScale)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DevicePlan(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的工具菜單中點擊“SMUAutoCalibration”(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ForceHI和SenseHI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“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。該過程將有助于確定任何故障點，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“SweepDelay”(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“Intervaltime”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。可利用LowCurrent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“QuietSpeedMode”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ForceLO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?。?/p>

•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ForceLO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)。