在低電流水平下表征器件需要知識、技能和正確的測試設備。即使使用所有這三個，在低電流水平下實現精度也可能是一個挑戰，因為電流水平通常等于或低于測試設置的噪聲水平。為了確保低電平電流測量的成功，重要的是要知道要使用的測試設備的類型、測量誤差的不同來源以及最小化這些誤差的適當技術。檢查幾個測試示例，例如場效應晶體管 (FET) 和碳納米管的表征，可以幫助學習過程。

低有多低？當然，術語低電流是相對的。對于一個應用被認為是低的電流水平 (諸如1mA) 對于在10nA下操作的器件可以是高的。通常，儀器的噪聲水平將建立其低水平靈敏度，低電流測量是指在儀器噪聲水平附近進行的測量。隨著半導體和納米技術的進步，便攜式和遠程電子設備的趨勢要求更多地使用低電流測量。小幾何器件、光伏器件和碳納米管是設計用于在極低電流水平下工作的器件的幾個例子，所有這些器件都必須根據其電流-電壓 (i-v) 特性進行表征。

根據被測設備 (DUT) 的類型和要測量的電流水平，許多儀器可用于低電流測量。也許生產線和現場服務中最普遍的工具是數字萬用表 (DMM)，它通常提供測量電流，電壓，電阻和溫度的功能。商業產品的范圍很廣，從3 ? 位讀出分辨率的低成本單位到機架安裝和臺式高精度實驗室單位。可用的最靈敏的dmm可以測量低至約10pa的電流水平。

當需要更高的精度時，可以使用各種形式的電流表來測量電流，范圍從通過線圈在磁場中的偏轉來測量通過線圈的電流的簡單設備到使用模數轉換器 (ADC) 的新型數字電流表測量分流電阻器兩端的電壓，然后根據該讀數確定并顯示電流。分流電阻器通常具有低值以最小化其兩端的電壓降。該電壓通常被稱為電壓負擔，因為它會影響低水平測量。當專門設計用于低電流測量時，也可以使用反饋電阻器實現的電流表被稱為皮安表。皮安表可在各種配置，包括高速模型和對數單位能夠顯示寬電流范圍。

一個簡單的反饋電流表可以通過少量參數 (圖1)，包括源電阻 (RS) 和源電容 (CS)，源電壓 (VS) 和噪聲電壓 (V噪聲) 的電流表。附加參數是反饋電阻 (RF) 和反饋電容 (CF) 的電流表。使用該模型及其參數，電流表電路的噪聲增益可以從

輸出V噪聲= 輸入V噪聲(1 + RF/RS)

圖1.該圖顯示了用于測量低電流水平的反饋電流表的簡單模型。

隨著源電阻的值減小，輸出噪聲增加。當RF= RS,輸入噪聲乘以2倍，如果源電阻太低，則會對測量系統的噪聲性能產生不利影響。**源電阻是電流表所需測量范圍的函數，最小值為1m ? 可測量納安電流，最小值為1g ? 可測量皮安電流。源電容還會影響低電流測量儀器的噪聲性能。

DUT的源電容會影響反饋電流表的噪聲性能，通常，隨著源電容的增加，噪聲增益也會增加。通過替換反饋阻抗 (ZF) 用于反饋電阻 (RF) 和源阻抗 (ZS) 用于源電阻 (RS) 收益率:

輸出V噪聲= 輸入V噪聲(1 + ZF/ZS)

反饋阻抗可以從其與反饋電阻和反饋電容的關系中找到，如源阻抗可以從其與源電阻和源電容的關系中找到，如作為源電容 (CS) 增加，源阻抗 (ZS) 值減小，噪聲增益相應增加。

其他電流測量儀器包括靜電計和源測量單位 (smu)。靜電計本質上是一種具有高輸入阻抗 (1t Ω 及更高) 的電壓表，可用于測量低電流水平。它可以用作電流表，即使在低電壓下也可以測量低電流水平，也可以用作電壓表進行電壓測量，而對被測電路的影響最小。作為電流表，靜電計可以測量與儀器的輸入偏移電流一樣低的電流，在某些情況下低至1fA。作為電壓表，靜電計可以測量電容器上的電壓，而不會使設備明顯放電，并且可以測量壓電晶體和高阻抗pH電極的電勢。

The SMU (圖2) 是進行低電流測量的一項創新。它將精密電流和電壓源與用于測量電流和電壓的靈敏檢測電路相結合。SMU可以同時提供電流源和測量電壓，或者提供電壓源和測量電流。裝備良好的SMU可以包括電壓源、電流源、電流表、電壓表和歐姆表，并且還可以編程用于自動測試設備 (ATE) 系統。

圖2.源測量單元 (SMU) 將電流和電壓源與用于測量電流和電壓的檢測電路結合在一起。

最小化噪音

所有這些測量儀器都是測量電流的有效工具，盡管它們對低水平電流的靈敏度主要受限于測試儀器內部和外部的噪聲源。DUT在使用給定儀器可以檢測到的電流水平中也起著一定的作用，因為DUT的源電阻 (RS) 確定約翰遜電流噪聲的水平 (IJ)，這是由于溫度對導體中電子的影響而引起的低水平噪聲。約翰遜噪聲可以用電流或電壓表示，本質上是器件的電壓噪聲除以器件電阻:

其中k = 玻爾茲曼常數 (1.38 × 10-23J/K),

T = 源的絕對溫度 (以 ° K為單位)，

B = 噪聲帶寬 (以Hz為單位)，以及

右S= 源的電阻 (以歐姆為單位)

溫度和噪聲帶寬都會影響約翰遜電流噪聲。任一參數的減小也將減小約翰遜電流噪聲。例如，低溫冷卻通常用于減少放大器和其他電路中的噪聲，但增加了成本和復雜性?？梢酝ㄟ^濾波來減小噪聲帶寬，但是這將導致測量速度變慢。約翰遜電流噪聲也會隨著DUT源電阻的降低而降低，但這通常不是一個實際的甚至可能的選擇 (圖3)。

圖3. Johnson電流噪聲取決于許多因素，包括DUT的源電阻。

在理想情況下，針對DUT測量的電流將是已知電流源的電流。然而，電流噪聲來自幾個不想要的源，并且正是這些額外的電流使得難以從期望的電流源讀取低水平的電流。這些不需要的源之一是測量系統本身的一部分: 用于將測試儀器彼此互連或連接到DUT的同軸電纜。由于摩擦電效應，典型的測試電纜可以產生多達數十納安的電流。這在同軸測試電纜的外屏蔽在電纜彎曲時摩擦電纜的絕緣時發生。結果，電子從絕緣中剝離，并添加到電流總量中。在某些應用中，例如納米技術和半導體研究，由這種效應產生的電流可能會超過要從DUT測量的電流水平。

可以通過使用低噪聲電纜來最小化摩擦電效應，該電纜具有在外部屏蔽下面涂覆有石墨的聚乙烯內部絕緣體。石墨減少了摩擦，并為移位的電子提供了返回其原始位置的路徑，從而消除了隨機電子運動及其對附加噪聲水平的貢獻。通過盡可能減小測試電纜的長度，也可以使來自摩擦電效應的過量電流最小化。通過將測試電纜放置在諸如泡沫橡膠的振動吸收材料的頂部，測試裝置應與振動隔離，以最大程度地減少測試電纜的不必要移動。測試電纜的移動也可以通過將電纜貼到穩定的表面 (例如測試臺) 來最小化。

壓電效應是低電流測量中測量誤差的另一個來源，電流是由敏感材料上的機械應力產生的。盡管電子系統中常用的一些材料 (例如聚四氟乙烯 (PTFE) 電介質) 對于給定量的應力和振動會產生相對大量的電流，但效果因材料而異。陶瓷材料受壓電效應的影響較小，并且產生較低的電流水平。為了最小化由這種效應產生的電流，關鍵是最小化絕緣體上的機械應力，并使用具有最小壓電特性的絕緣材料構建任何低電流測試系統。

絕緣體還可以通過電介質吸收降低低電流測量精度。當絕緣體兩端的足夠高的電壓導致正電荷和負電荷極化時，就會發生這種現象。當從絕緣體移除電壓時，其放棄分離的電荷作為衰減電流，其被添加到在測試期間測量的總量。電流從電介質吸收到耗散的衰減時間可以從幾分鐘到幾小時。通過僅向用于低電流測量的絕緣體施加低電壓電平，可以最小化該影響。

由于來自絕緣體表面上的鹽、濕氣、油或甚至指紋的污染，絕緣體還可有助于降低低電流測量精度。例如，當焊接時使用過量的焊劑時，污染效應也會在測試夾具或測試裝置中困擾印刷電路板。在絕緣體上，污染物的作用是在絕緣體內的敏感電流節點處形成低電流電池，產生可能在納安量級的噪聲電流，或者在由摩擦電效應引起的噪聲電流的水平上。為了最大程度地減少絕緣子污染造成的測量誤差，操作人員在處理絕緣子時應戴手套或避免接觸絕緣子。應盡量減少焊料的使用，并且應使用適當的溶劑 (例如異丙醇) 清潔焊料區域。每次清潔都應使用干凈的棉簽，并且棉簽在用于清潔后切勿重復使用或浸入清潔溶液中。

在沒有磁場的情況下進行低電流測量是至關重要的，因為這種磁場可以感應電流。強度隨時間變化的磁場會導致附近導體中的電流流動，導體在磁場內的運動也會導致電流流動。應避免這兩種情況，以保持低電平電流測量的準確性，并且任何測量儀器或系統均應適當地屏蔽磁場，以避免錯誤的讀數。

用于低電流測量的儀器在其輸入端子處于開路狀態時，應顯示零讀數。不幸的是，由于稱為輸入偏移電流的小電流，很少出現這種情況。它是由測量儀器中使用的有源器件的偏置電流以及儀器或測試系統中通過絕緣體的泄漏電流引起的。大多數儀器制造商在其產品的數據表上指定輸入偏移電流以進行比較，并且在任何低電流測量中都必須考慮這一少量電流。由于輸入偏移電流，任何由測試儀器測量的電流 (IM) 實際上是來自源的電流的總和 (IS) 和偏移電流 (I偏移量):

我M= IS+ I偏移量

通過加蓋輸入連接器并選擇測量儀器上可用的最低電流范圍，可以找到輸入偏移電流。儀器顯示的讀數在正確穩定后，應在儀器數據表所示的規格范圍內。在某些儀器上，電流抑制功能可以使輸入偏移電流部分為零。

從低電流測量中減去輸入偏移電流的另一種方法是使用在某些測量設備 (例如電流表) 上找到的相對函數。當輸入端子處于開路狀態時，相對函數存儲正在測量的任何剩余偏移電流的讀數; 該讀數被視為后續讀數的零點。

實際低電流測量的一些示例包括場效晶體管 (fet) 和碳納米管 (CNT) 器件的表征。更常見的FET測試涉及對器件的共源極特性的評估。即使在低電流水平下，也可以使用具有兩個SMU通道的簡單測試設置來研究漏極電流 (圖4)。在此示例中，來自Keithley Instruments的雙通道系列2600B系統SourceMeter儀器被使用，因為這些儀器提供了提供電流或電壓并同時測量電流或電壓的能力。為了表征FET，將其安裝在允許安全接地和偏置連接的測試夾具中。其中一個SMU通道提供掃頻柵極-源極電壓 (VGS) 到固定的FET，而另一個提供掃頻漏源電壓 (VDS) 到DUT，同時還測量器件的漏極電流 (ID)。這種簡單的測試設置允許測試10nA或更小的漏極電流。

圖4.兩個SMU通道可用于評估fet和其他半導體器件的掃描i-v特性。

諸如光伏晶片和CNT片材的電子材料通常在它們的電流密度方面表征，對于給定的材料面積，它們可以產生多少電流。例如，韓國首爾國立大學的研究人員使用Keithley 6517B型靜電計來評估在電弧放電CNT基板上制造的多壁碳納米管 (MWNT) 設備。在研究中，電流密度低至10-4/厘米2在5V/μ m及以下的外加電場下進行測量。通過使用一對smu掃描漏極和柵極電壓，同時測量和繪制作為柵極電壓的函數的漏極電流。

低電流測量所需的分辨率和精度將決定所使用的測量工具的類型。當準確性不是問題時，基本的DMM可能就足夠了。但是對于更苛刻的要求，可能需要精密靜電計或SMU。例如，2635B和2636B型smu針對低電流測量進行了優化，可提供1fA的測量分辨率。