分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測(cè)量（上）

I分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測(cè)量- 引言
許多關(guān)鍵應(yīng)用都需要能夠測(cè)量小電流的能力——比如pA級(jí)或更小。這些應(yīng)用包括確定FET的柵極漏流、測(cè)試敏感的納米電子器件，以及測(cè)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(shí)，可提供非常卓越的小電流測(cè)量能力，分辨率達(dá)1E–16A。成功測(cè)量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計(jì)，例如4200-SCS型，而且還取決于系統(tǒng)的交互測(cè)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(shí)間，以及采用能夠防止不希望的電流降低測(cè)量準(zhǔn)確度的技術(shù)。本文介紹利用吉時(shí)利4200-SCS型優(yōu)化小電流測(cè)量的最佳解決方案。

測(cè)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(cè)量的前幾步之中有一步是確定整個(gè)測(cè)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(cè)試夾具和探針。這可確定整個(gè)系統(tǒng)的噪底限值，并設(shè)置一個(gè)開始點(diǎn)，如果可能的話則進(jìn)行改進(jìn)。從測(cè)量源測(cè)量單元(SMU)的偏移開始，然后繼續(xù)增加測(cè)量電路組件，直到連接了除被測(cè)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(cè)量。

II分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測(cè)量——內(nèi)部偏移
對(duì)于理想的安培計(jì)，當(dāng)其輸入端子保持開路時(shí)，其讀數(shù)應(yīng)為零。然而，現(xiàn)實(shí)中的安培計(jì)在輸入開路時(shí)確實(shí)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(shí)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(cè)電流，所以儀表測(cè)量的是兩個(gè)電流之和。

圖1. SMU的輸入偏移電流

測(cè)量每個(gè)帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時(shí)，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(cè)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(gè)小時(shí)。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(xiàng)目測(cè)量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項(xiàng)目，選擇SMU1offset ITM。點(diǎn)擊圖表標(biāo)簽，并運(yùn)行測(cè)試。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形?？赡苄枰米詣?dòng)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(dòng)縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時(shí)，偏移電流應(yīng)該在fA級(jí)。電流偏移可為正或負(fù)。根據(jù)公布的4200-SCS型的安培計(jì)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證這些結(jié)果。

利用獨(dú)立ITM對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)SMU重復(fù)該項(xiàng)測(cè)試。LowCurrent項(xiàng)目具有可對(duì)帶有前置放大器的4個(gè)SMU進(jìn)行偏移電流測(cè)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(cè)量偏移電流。請(qǐng)按照以下步驟創(chuàng)建測(cè)試，對(duì)SMU1進(jìn)行測(cè)量：

1.在已創(chuàng)建的項(xiàng)目中，打開一個(gè)用于一般2端器件的新Device Plan(器件規(guī)劃)。
創(chuàng)建一個(gè)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(cè)量

1.在Definition標(biāo)簽頁中進(jìn)行如下設(shè)置：
SMU源測(cè)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(gè)樣本，1s保持時(shí)間，選中使能時(shí)標(biāo)。
公式計(jì)算器：創(chuàng)建一個(gè)公式，利用標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。
再創(chuàng)建一個(gè)公式測(cè)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(shí)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(cè)試并運(yùn)行。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形。對(duì)系統(tǒng)中的全部SMU重復(fù)該測(cè)試。

在KITE中執(zhí)行自動(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)，在KITE的工具菜單中點(diǎn)擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動(dòng)校準(zhǔn))。進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)程序?qū)ο到y(tǒng)中全部SMU的全部源和測(cè)量功能調(diào)節(jié)電流和電壓偏移。請(qǐng)勿將其與全系統(tǒng)校準(zhǔn)混淆，后者應(yīng)每年在吉時(shí)利工廠進(jìn)行一次。

完成SMU自動(dòng)校準(zhǔn)后，即可重復(fù)進(jìn)行偏移電流測(cè)量。

III分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測(cè)量——外部偏移
確定了安培計(jì)的偏移電流后，將系統(tǒng)的其余部分逐步添加至測(cè)試電路，通過重復(fù)電流(0V)和時(shí)間圖，驗(yàn)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(duì)探針末端或未連接器件的測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)量。該過程將有助于確定任何故障點(diǎn)，例如短路的電纜或測(cè)量電路中的不穩(wěn)定性。然而，要意識(shí)到，連接和斷開電纜都會(huì)在電路中產(chǎn)生電流。為了進(jìn)行超低電流測(cè)量，可能有必要在改變測(cè)試電路的連接后等待幾分鐘至幾個(gè)小時(shí)，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(shí)利7174A型小電流開關(guān)矩陣至探針臺(tái)，“up”位置有一個(gè)探針。