如何优化低电流测量和仪器

在低电流水平下表征器件需要知识、技能和正确的测试设备。即使使用所有这三个，在低电流水平下实现精度也可能是一个挑战，因为电流水平通常等于或低于测试设置的噪声水平。为了确保低电平电流测量的成功，重要的是要知道要使用的测试设备的类型、测量误差的不同来源以及最小化这些误差的适当技术。检查几个测试示例，例如场效应晶体管 (FET) 和碳纳米管的表征，可以帮助学习过程。

低有多低？当然，术语低电流是相对的。对于一个应用被认为是低的电流水平 (诸如1mA) 对于在10nA下操作的器件可以是高的。通常，仪器的噪声水平将建立其低水平灵敏度，低电流测量是指在仪器噪声水平附近进行的测量。随着半导体和纳米技术的进步，便携式和远程电子设备的趋势要求更多地使用低电流测量。小几何器件、光伏器件和碳纳米管是设计用于在极低电流水平下工作的器件的几个例子，所有这些器件都必须根据其电流-电压 (i-v) 特性进行表征。

根据被测设备 (DUT) 的类型和要测量的电流水平，许多仪器可用于低电流测量。也许生产线和现场服务中最普遍的工具是数字万用表 (DMM)，它通常提供测量电流，电压，电阻和温度的功能。商业产品的范围很广，从3 ½ 位读出分辨率的低成本单位到机架安装和台式高精度实验室单位。可用的最灵敏的dmm可以测量低至约10pa的电流水平。

当需要更高的精度时，可以使用各种形式的电流表来测量电流，范围从通过线圈在磁场中的偏转来测量通过线圈的电流的简单设备到使用模数转换器 (ADC) 的新型数字电流表测量分流电阻器两端的电压，然后根据该读数确定并显示电流。分流电阻器通常具有低值以最小化其两端的电压降。该电压通常被称为电压负担，因为它会影响低水平测量。当专门设计用于低电流测量时，也可以使用反馈电阻器实现的电流表被称为皮安表。皮安表可在各种配置，包括高速模型和对数单位能够显示宽电流范围。

一个简单的反馈电流表可以通过少量参数 (图1)，包括源电阻 (RS) 和源电容 (CS)，源电压 (VS) 和噪声电压 (V噪声) 的电流表。附加参数是反馈电阻 (RF) 和反馈电容 (CF) 的电流表。使用该模型及其参数，电流表电路的噪声增益可以从

输出V噪声= 输入V噪声(1 + RF/RS)

图1.该图显示了用于测量低电流水平的反馈电流表的简单模型。

随着源电阻的值减小，输出噪声增加。当RF= RS,输入噪声乘以2倍，如果源电阻太低，则会对测量系统的噪声性能产生不利影响。**源电阻是电流表所需测量范围的函数，最小值为1m Ω 可测量纳安电流，最小值为1g Ω 可测量皮安电流。源电容还会影响低电流测量仪器的噪声性能。

DUT的源电容会影响反馈电流表的噪声性能，通常，随着源电容的增加，噪声增益也会增加。通过替换反馈阻抗 (ZF) 用于反馈电阻 (RF) 和源阻抗 (ZS) 用于源电阻 (RS) 收益率:

输出V噪声= 输入V噪声(1 + ZF/ZS)

反馈阻抗可以从其与反馈电阻和反馈电容的关系中找到，如源阻抗可以从其与源电阻和源电容的关系中找到，如作为源电容 (CS) 增加，源阻抗 (ZS) 值减小，噪声增益相应增加。

其他电流测量仪器包括静电计和源测量单位 (smu)。静电计本质上是一种具有高输入阻抗 (1t Ω 及更高) 的电压表，可用于测量低电流水平。它可以用作电流表，即使在低电压下也可以测量低电流水平，也可以用作电压表进行电压测量，而对被测电路的影响最小。作为电流表，静电计可以测量与仪器的输入偏移电流一样低的电流，在某些情况下低至1fA。作为电压表，静电计可以测量电容器上的电压，而不会使设备明显放电，并且可以测量压电晶体和高阻抗pH电极的电势。

The SMU (图2) 是进行低电流测量的一项创新。它将精密电流和电压源与用于测量电流和电压的灵敏检测电路相结合。SMU可以同时提供电流源和测量电压，或者提供电压源和测量电流。装备良好的SMU可以包括电压源、电流源、电流表、电压表和欧姆表，并且还可以编程用于自动测试设备 (ATE) 系统。

图2.源测量单元 (SMU) 将电流和电压源与用于测量电流和电压的检测电路结合在一起。

最小化噪音

所有这些测量仪器都是测量电流的有效工具，尽管它们对低水平电流的灵敏度主要受限于测试仪器内部和外部的噪声源。DUT在使用给定仪器可以检测到的电流水平中也起着一定的作用，因为DUT的源电阻 (RS) 确定约翰逊电流噪声的水平 (IJ)，这是由于温度对导体中电子的影响而引起的低水平噪声。约翰逊噪声可以用电流或电压表示，本质上是器件的电压噪声除以器件电阻:

其中k = 玻尔兹曼常数 (1.38 × 10-23J/K),

T = 源的绝对温度 (以 ° K为单位)，

B = 噪声带宽 (以Hz为单位)，以及

右S= 源的电阻 (以欧姆为单位)

温度和噪声带宽都会影响约翰逊电流噪声。任一参数的减小也将减小约翰逊电流噪声。例如，低温冷却通常用于减少放大器和其他电路中的噪声，但增加了成本和复杂性。可以通过滤波来减小噪声带宽，但是这将导致测量速度变慢。约翰逊电流噪声也会随着DUT源电阻的降低而降低，但这通常不是一个实际的甚至可能的选择 (图3)。

图3. Johnson电流噪声取决于许多因素，包括DUT的源电阻。

在理想情况下，针对DUT测量的电流将是已知电流源的电流。然而，电流噪声来自几个不想要的源，并且正是这些额外的电流使得难以从期望的电流源读取低水平的电流。这些不需要的源之一是测量系统本身的一部分: 用于将测试仪器彼此互连或连接到DUT的同轴电缆。由于摩擦电效应，典型的测试电缆可以产生多达数十纳安的电流。这在同轴测试电缆的外屏蔽在电缆弯曲时摩擦电缆的绝缘时发生。结果，电子从绝缘中剥离，并添加到电流总量中。在某些应用中，例如纳米技术和半导体研究，由这种效应产生的电流可能会超过要从DUT测量的电流水平。

可以通过使用低噪声电缆来最小化摩擦电效应，该电缆具有在外部屏蔽下面涂覆有石墨的聚乙烯内部绝缘体。石墨减少了摩擦，并为移位的电子提供了返回其原始位置的路径，从而消除了随机电子运动及其对附加噪声水平的贡献。通过尽可能减小测试电缆的长度，也可以使来自摩擦电效应的过量电流最小化。通过将测试电缆放置在诸如泡沫橡胶的振动吸收材料的顶部，测试装置应与振动隔离，以最大程度地减少测试电缆的不必要移动。测试电缆的移动也可以通过将电缆贴到稳定的表面 (例如测试台) 来最小化。

压电效应是低电流测量中测量误差的另一个来源，电流是由敏感材料上的机械应力产生的。尽管电子系统中常用的一些材料 (例如聚四氟乙烯 (PTFE) 电介质) 对于给定量的应力和振动会产生相对大量的电流，但效果因材料而异。陶瓷材料受压电效应的影响较小，并且产生较低的电流水平。为了最小化由这种效应产生的电流，关键是最小化绝缘体上的机械应力，并使用具有最小压电特性的绝缘材料构建任何低电流测试系统。

绝缘体还可以通过电介质吸收降低低电流测量精度。当绝缘体两端的足够高的电压导致正电荷和负电荷极化时，就会发生这种现象。当从绝缘体移除电压时，其放弃分离的电荷作为衰减电流，其被添加到在测试期间测量的总量。电流从电介质吸收到耗散的衰减时间可以从几分钟到几小时。通过仅向用于低电流测量的绝缘体施加低电压电平，可以最小化该影响。

由于来自绝缘体表面上的盐、湿气、油或甚至指纹的污染，绝缘体还可有助于降低低电流测量精度。例如，当焊接时使用过量的焊剂时，污染效应也会在测试夹具或测试装置中困扰印刷电路板。在绝缘体上，污染物的作用是在绝缘体内的敏感电流节点处形成低电流电池，产生可能在纳安量级的噪声电流，或者在由摩擦电效应引起的噪声电流的水平上。为了最大程度地减少绝缘子污染造成的测量误差，操作人员在处理绝缘子时应戴手套或避免接触绝缘子。应尽量减少焊料的使用，并且应使用适当的溶剂 (例如异丙醇) 清洁焊料区域。每次清洁都应使用干净的棉签，并且棉签在用于清洁后切勿重复使用或浸入清洁溶液中。

在没有磁场的情况下进行低电流测量是至关重要的，因为这种磁场可以感应电流。强度随时间变化的磁场会导致附近导体中的电流流动，导体在磁场内的运动也会导致电流流动。应避免这两种情况，以保持低电平电流测量的准确性，并且任何测量仪器或系统均应适当地屏蔽磁场，以避免错误的读数。

用于低电流测量的仪器在其输入端子处于开路状态时，应显示零读数。不幸的是，由于称为输入偏移电流的小电流，很少出现这种情况。它是由测量仪器中使用的有源器件的偏置电流以及仪器或测试系统中通过绝缘体的泄漏电流引起的。大多数仪器制造商在其产品的数据表上指定输入偏移电流以进行比较，并且在任何低电流测量中都必须考虑这一少量电流。由于输入偏移电流，任何由测试仪器测量的电流 (IM) 实际上是来自源的电流的总和 (IS) 和偏移电流 (I偏移量):

我M= IS+ I偏移量

通过加盖输入连接器并选择测量仪器上可用的最低电流范围，可以找到输入偏移电流。仪器显示的读数在正确稳定后，应在仪器数据表所示的规格范围内。在某些仪器上，电流抑制功能可以使输入偏移电流部分为零。

从低电流测量中减去输入偏移电流的另一种方法是使用在某些测量设备 (例如电流表) 上找到的相对函数。当输入端子处于开路状态时，相对函数存储正在测量的任何剩余偏移电流的读数; 该读数被视为后续读数的零点。

实际低电流测量的一些示例包括场效晶体管 (fet) 和碳纳米管 (CNT) 器件的表征。更常见的FET测试涉及对器件的共源极特性的评估。即使在低电流水平下，也可以使用具有两个SMU通道的简单测试设置来研究漏极电流 (图4)。在此示例中，来自Keithley Instruments的双通道系列2600B系统SourceMeter仪器被使用，因为这些仪器提供了提供电流或电压并同时测量电流或电压的能力。为了表征FET，将其安装在允许安全接地和偏置连接的测试夹具中。其中一个SMU通道提供扫频栅极-源极电压 (VGS) 到固定的FET，而另一个提供扫频漏源电压 (VDS) 到DUT，同时还测量器件的漏极电流 (ID)。这种简单的测试设置允许测试10nA或更小的漏极电流。

图4.两个SMU通道可用于评估fet和其他半导体器件的扫描i-v特性。

诸如光伏晶片和CNT片材的电子材料通常在它们的电流密度方面表征，对于给定的材料面积，它们可以产生多少电流。例如，韩国首尔国立大学的研究人员使用Keithley 6517B型静电计来评估在电弧放电CNT基板上制造的多壁碳纳米管 (MWNT) 设备。在研究中，电流密度低至10-4/厘米2在5V/µ m及以下的外加电场下进行测量。通过使用一对smu扫描漏极和栅极电压，同时测量和绘制作为栅极电压的函数的漏极电流。

低电流测量所需的分辨率和精度将决定所使用的测量工具的类型。当准确性不是问题时，基本的DMM可能就足够了。但是对于更苛刻的要求，可能需要精密静电计或SMU。例如，2635B和2636B型smu针对低电流测量进行了优化，可提供1fA的测量分辨率。