分析系統優化小電流測量(下)

VII 漏流和保護II

        保護亦可用於減小電纜連接中的漏流。圖12所示為驅動保護防止電纜的漏洩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並聯(RDUT)，產生不希望的漏流(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。現在，該屏蔽由一個單位增益低阻放大器(保護)驅動。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果，圖13中繪出了採用10V階躍函數測量100GΩ電阻的測量電流和時間的關係圖。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必須連接至採用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，然後再將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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/120495.htm

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致電流偏移和測量不穩定。這些誤差是由於共模電流產生的。

        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，電流並不通過安培計，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，甚至不穩定。

VIIII摩擦效應

        摩擦電流是由於導體和絕緣體之間摩擦產生的電荷形成的。自由電子由於摩擦離開導體，造成電荷不平衡，由此產生電流。這種噪聲電流可達到數十nA。圖15所示為摩擦電流的流向。

        吉時利4200-SCS配備的三軸電纜在外屏蔽的下方採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，並將電纜運動的摩擦效應產生的電荷降至最小。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，也會產生噪聲。因此，所有連接應儘量短，避免溫度變化(將產生熱膨脹力)，最好將電纜綁到不振動表面，例如牆、桌子或剛性結構。

 
圖15. 摩擦效應產生的偏移電流

應採取其他措施將運動和振動問題降至最小：

• 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。
• 使前置放大器儘量靠近DUT。

壓電效應和電荷存儲效應

        向絕緣端子和互連硬體中使用的特定晶體材料施加機械應力時，就會產生壓電電流。在有些塑料中，少量的存儲電荷就會導致該材料的行為類似於壓電材料。圖16所示為採用壓電絕緣體的端子的一個例子。
 

         圖16. 壓電效應產生的電流

        為了將這些效應降至最小，請消除絕緣體的機械應力，並使用具有最小壓電和電荷存儲的絕緣材料。

十 汙染和溼度效應

        高溼度或離子汙染會大大降低測試夾具的絕緣電阻。凝露或吸水性會產生高溼度條件，而離子汙染可能是體油、鹽或焊接劑造成的。絕緣電阻降低會對高阻測量產生嚴重影響。此外，溼度或潮溼可能會與出現的汙染相組合，形成會產生偏移電流的電化效應。例如，常用的環氧印製電路板，如果沒有徹底清除蝕刻溶液、焊接劑或其他汙染，就會在導體之間產生幾個nA的電流(參見圖17)。

 
    圖17. 汙染和溼度造成的電流

        為避免汙染和溼度的影響，請選擇防吸水的絕緣體，並將溼度保持在適當水平(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，避免汙染。
接地環路

        接地環路會產生雜散信號，可能是直流偏移或交流信號(通常為工頻或工頻的整數倍)。接地環路時由於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路。接地點之間的電勢往往存在微小差異，由此就會產生大電流循環，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。環路中的大接地電流通過的是小電阻，無論是導體還是在連接點。該小電阻產生的壓降會影響性能。
為避免接地環路，測試系統應單點接地。如果不能消除DUT的地，那麼4200的GNDU COMMON端子和機箱地之間的接地鏈路應斷開，如圖19所示。

 
                             圖18. 接地環路
 

             圖19. 消除接地環路

        如果懷疑存在接地環路，請將懷疑的儀器從交流電源拔出，並進行敏感的電流測量，確認問題已經解決。為了消除接地環路，儘量少採用接地，理想情況是不要超過一個。

        光有些元件，例如二極體和電晶體是卓越的光檢測器。因此，必須在無光環境下測試這些元件。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洩露。

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：
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，輸出噪聲增大。由於降低源電阻會對噪聲性能產生不利影響，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。儘管最大。

        源電容值存在限值，但是通過連接一個電阻或正偏二極體與DUT串聯，通常能夠在更高的源電容值下進行測量。二極體作為一個可變電阻，當源電容的充電電流為高時，其阻值很小，然後隨著電流的減小而增大。

十二 偏移補償

        在確定並減小外部誤差後，如果可能的話，可將測試系統的內部和外部偏移從將來的測量結果中減去。首先，如上所述，在輸入戴有金屬帽的情況下對SMU進行自動校準。然後，確定每個SMU至探針的偏移。利用軟體中的公式計算器工具，可將該平均偏移從隨後的電流測量結果中減去。為了進行極低電流的測量，應定期重新測量平均偏移電流(至少每月一次)。

結論

        當配備可選的吉時利4200-PA型遠程前置放大器時，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。應通過測量整個測量系統的偏移電流來確定系統的限制，必要時進行調節。可採用一些技術減小測量誤差源，例如屏蔽、保護、儀器的正確接地，以及在KITE軟體中選擇合適的設置，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於優化低電平測量技術的更多信息。

更多參考

Keithley Instruments，4200-SCS型參考手冊，第5章 (含在系統軟體中)
Keithley Instruments，低電平測量手冊，2004年第6版。