分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量（上）

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)orce HI和Sense HI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Force HI和Sense HI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SMU1offset ITM。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(Auto Scale)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Device Plan(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“SMU Auto Calibration”(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Force HI和Sense HI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“Append Run”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Force HI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。