在低電流水平下表征器件需要知識(shí)、技能和正確的測(cè)試設(shè)備。即使使用所有這三個(gè)，在低電流水平下實(shí)現(xiàn)精度也可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娏魉酵ǔ５扔诨虻陀跍y(cè)試設(shè)置的噪聲水平。為了確保低電平電流測(cè)量的成功，重要的是要知道要使用的測(cè)試設(shè)備的類型、測(cè)量誤差的不同來(lái)源以及最小化這些誤差的適當(dāng)技術(shù)。檢查幾個(gè)測(cè)試示例，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和碳納米管的表征，可以幫助學(xué)習(xí)過(guò)程。

低有多低？當(dāng)然，術(shù)語(yǔ)低電流是相對(duì)的。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用被認(rèn)為是低的電流水平 (諸如1mA) 對(duì)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(cè)量是指在儀器噪聲水平附近進(jìn)行的測(cè)量。隨著半導(dǎo)體和納米技術(shù)的進(jìn)步，便攜式和遠(yuǎn)程電子設(shè)備的趨勢(shì)要求更多地使用低電流測(cè)量。小幾何器件、光伏器件和碳納米管是設(shè)計(jì)用于在極低電流水平下工作的器件的幾個(gè)例子，所有這些器件都必須根據(jù)其電流-電壓 (i-v) 特性進(jìn)行表征。

根據(jù)被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的類型和要測(cè)量的電流水平，許多儀器可用于低電流測(cè)量。也許生產(chǎn)線和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)中最普遍的工具是數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM)，它通常提供測(cè)量電流，電壓，電阻和溫度的功能。商業(yè)產(chǎn)品的范圍很廣，從3 ? 位讀出分辨率的低成本單位到機(jī)架安裝和臺(tái)式高精度實(shí)驗(yàn)室單位。可用的最靈敏的dmm可以測(cè)量低至約10pa的電流水平。

當(dāng)需要更高的精度時(shí)，可以使用各種形式的電流表來(lái)測(cè)量電流，范圍從通過(guò)線圈在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量通過(guò)線圈的電流的簡(jiǎn)單設(shè)備到使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的新型數(shù)字電流表測(cè)量分流電阻器兩端的電壓，然后根據(jù)該讀數(shù)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(fù)擔(dān)，因?yàn)樗鼤?huì)影響低水平測(cè)量。當(dāng)專門設(shè)計(jì)用于低電流測(cè)量時(shí)，也可以使用反饋電阻器實(shí)現(xiàn)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(duì)數(shù)單位能夠顯示寬電流范圍。

一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋電流表可以通過(guò)少量參數(shù) (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(shù)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(shù)，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(cè)量低電流水平的反饋電流表的簡(jiǎn)單模型。

隨著源電阻的值減小，輸出噪聲增加。當(dāng)RF= RS,輸入噪聲乘以2倍，如果源電阻太低，則會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的噪聲性能產(chǎn)生不利影響。**源電阻是電流表所需測(cè)量范圍的函數(shù)，最小值為1m ? 可測(cè)量納安電流，最小值為1g ? 可測(cè)量皮安電流。源電容還會(huì)影響低電流測(cè)量?jī)x器的噪聲性能。

DUT的源電容會(huì)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(huì)增加。通過(guò)替換反饋?zhàn)杩?(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?zhàn)杩箍梢詮钠渑c反饋電阻和反饋電容的關(guān)系中找到，如源阻抗可以從其與源電阻和源電容的關(guān)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(yīng)增加。

其他電流測(cè)量?jī)x器包括靜電計(jì)和源測(cè)量單位 (smu)。靜電計(jì)本質(zhì)上是一種具有高輸入阻抗 (1t Ω 及更高) 的電壓表，可用于測(cè)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(cè)量低電流水平，也可以用作電壓表進(jìn)行電壓測(cè)量，而對(duì)被測(cè)電路的影響最小。作為電流表，靜電計(jì)可以測(cè)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(jì)可以測(cè)量電容器上的電壓，而不會(huì)使設(shè)備明顯放電，并且可以測(cè)量壓電晶體和高阻抗pH電極的電勢(shì)。

The SMU (圖2) 是進(jìn)行低電流測(cè)量的一項(xiàng)創(chuàng)新。它將精密電流和電壓源與用于測(cè)量電流和電壓的靈敏檢測(cè)電路相結(jié)合。SMU可以同時(shí)提供電流源和測(cè)量電壓，或者提供電壓源和測(cè)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(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 系統(tǒng)。

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

最小化噪音

所有這些測(cè)量?jī)x器都是測(cè)量電流的有效工具，盡管它們對(duì)低水平電流的靈敏度主要受限于測(cè)試儀器內(nèi)部和外部的噪聲源。DUT在使用給定儀器可以檢測(cè)到的電流水平中也起著一定的作用，因?yàn)镈UT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(duì)導(dǎo)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(zhì)上是器件的電壓噪聲除以器件電阻:

其中k = 玻爾茲曼常數(shù) (1.38 × 10-23J/K),

T = 源的絕對(duì)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(huì)影響約翰遜電流噪聲。任一參數(shù)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(fù)雜性。可以通過(guò)濾波來(lái)減小噪聲帶寬，但是這將導(dǎo)致測(cè)量速度變慢。約翰遜電流噪聲也會(huì)隨著DUT源電阻的降低而降低，但這通常不是一個(gè)實(shí)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(duì)DUT測(cè)量的電流將是已知電流源的電流。然而，電流噪聲來(lái)自幾個(gè)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(cè)量系統(tǒng)本身的一部分: 用于將測(cè)試儀器彼此互連或連接到DUT的同軸電纜。由于摩擦電效應(yīng)，典型的測(cè)試電纜可以產(chǎn)生多達(dá)數(shù)十納安的電流。這在同軸測(cè)試電纜的外屏蔽在電纜彎曲時(shí)摩擦電纜的絕緣時(shí)發(fā)生。結(jié)果，電子從絕緣中剝離，并添加到電流總量中。在某些應(yīng)用中，例如納米技術(shù)和半導(dǎo)體研究，由這種效應(yīng)產(chǎn)生的電流可能會(huì)超過(guò)要從DUT測(cè)量的電流水平。

可以通過(guò)使用低噪聲電纜來(lái)最小化摩擦電效應(yīng)，該電纜具有在外部屏蔽下面涂覆有石墨的聚乙烯內(nèi)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(jī)電子運(yùn)動(dòng)及其對(duì)附加噪聲水平的貢獻(xiàn)。通過(guò)盡可能減小測(cè)試電纜的長(zhǎng)度，也可以使來(lái)自摩擦電效應(yīng)的過(guò)量電流最小化。通過(guò)將測(cè)試電纜放置在諸如泡沫橡膠的振動(dòng)吸收材料的頂部，測(cè)試裝置應(yīng)與振動(dòng)隔離，以最大程度地減少測(cè)試電纜的不必要移動(dòng)。測(cè)試電纜的移動(dòng)也可以通過(guò)將電纜貼到穩(wěn)定的表面 (例如測(cè)試臺(tái)) 來(lái)最小化。

壓電效應(yīng)是低電流測(cè)量中測(cè)量誤差的另一個(gè)來(lái)源，電流是由敏感材料上的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的。盡管電子系統(tǒng)中常用的一些材料 (例如聚四氟乙烯 (PTFE) 電介質(zhì)) 對(duì)于給定量的應(yīng)力和振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)大量的電流，但效果因材料而異。陶瓷材料受壓電效應(yīng)的影響較小，并且產(chǎn)生較低的電流水平。為了最小化由這種效應(yīng)產(chǎn)生的電流，關(guān)鍵是最小化絕緣體上的機(jī)械應(yīng)力，并使用具有最小壓電特性的絕緣材料構(gòu)建任何低電流測(cè)試系統(tǒng)。

絕緣體還可以通過(guò)電介質(zhì)吸收降低低電流測(cè)量精度。當(dāng)絕緣體兩端的足夠高的電壓導(dǎo)致正電荷和負(fù)電荷極化時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)從絕緣體移除電壓時(shí)，其放棄分離的電荷作為衰減電流，其被添加到在測(cè)試期間測(cè)量的總量。電流從電介質(zhì)吸收到耗散的衰減時(shí)間可以從幾分鐘到幾小時(shí)。通過(guò)僅向用于低電流測(cè)量的絕緣體施加低電壓電平，可以最小化該影響。

由于來(lái)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(cè)量精度。例如，當(dāng)焊接時(shí)使用過(guò)量的焊劑時(shí)，污染效應(yīng)也會(huì)在測(cè)試夾具或測(cè)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(nèi)的敏感電流節(jié)點(diǎn)處形成低電流電池，產(chǎn)生可能在納安量級(jí)的噪聲電流，或者在由摩擦電效應(yīng)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(cè)量誤差，操作人員在處理絕緣子時(shí)應(yīng)戴手套或避免接觸絕緣子。應(yīng)盡量減少焊料的使用，并且應(yīng)使用適當(dāng)?shù)娜軇?(例如異丙醇) 清潔焊料區(qū)域。每次清潔都應(yīng)使用干凈的棉簽，并且棉簽在用于清潔后切勿重復(fù)使用或浸入清潔溶液中。

在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行低電流測(cè)量是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@種磁場(chǎng)可以感應(yīng)電流。強(qiáng)度隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致附近導(dǎo)體中的電流流動(dòng)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致電流流動(dòng)。應(yīng)避免這兩種情況，以保持低電平電流測(cè)量的準(zhǔn)確性，并且任何測(cè)量?jī)x器或系統(tǒng)均應(yīng)適當(dāng)?shù)仄帘未艌?chǎng)，以避免錯(cuò)誤的讀數(shù)。

用于低電流測(cè)量的儀器在其輸入端子處于開路狀態(tài)時(shí)，應(yīng)顯示零讀數(shù)。不幸的是，由于稱為輸入偏移電流的小電流，很少出現(xiàn)這種情況。它是由測(cè)量?jī)x器中使用的有源器件的偏置電流以及儀器或測(cè)試系統(tǒng)中通過(guò)絕緣體的泄漏電流引起的。大多數(shù)儀器制造商在其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表上指定輸入偏移電流以進(jìn)行比較，并且在任何低電流測(cè)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(cè)試儀器測(cè)量的電流 (IM) 實(shí)際上是來(lái)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(guò)加蓋輸入連接器并選擇測(cè)量?jī)x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(shù)在正確穩(wěn)定后，應(yīng)在儀器數(shù)據(jù)表所示的規(guī)格范圍內(nèi)。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(cè)量中減去輸入偏移電流的另一種方法是使用在某些測(cè)量設(shè)備 (例如電流表) 上找到的相對(duì)函數(shù)。當(dāng)輸入端子處于開路狀態(tài)時(shí)，相對(duì)函數(shù)存儲(chǔ)正在測(cè)量的任何剩余偏移電流的讀數(shù); 該讀數(shù)被視為后續(xù)讀數(shù)的零點(diǎn)。

實(shí)際低電流測(cè)量的一些示例包括場(chǎng)效晶體管 (fet) 和碳納米管 (CNT) 器件的表征。更常見的FET測(cè)試涉及對(duì)器件的共源極特性的評(píng)估。即使在低電流水平下，也可以使用具有兩個(gè)SMU通道的簡(jiǎn)單測(cè)試設(shè)置來(lái)研究漏極電流 (圖4)。在此示例中，來(lái)自Keithley Instruments的雙通道系列2600B系統(tǒng)SourceMeter儀器被使用，因?yàn)檫@些儀器提供了提供電流或電壓并同時(shí)測(cè)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(cè)試夾具中。其中一個(gè)SMU通道提供掃頻柵極-源極電壓 (VGS) 到固定的FET，而另一個(gè)提供掃頻漏源電壓 (VDS) 到DUT，同時(shí)還測(cè)量器件的漏極電流 (ID)。這種簡(jiǎn)單的測(cè)試設(shè)置允許測(cè)試10nA或更小的漏極電流。

圖4.兩個(gè)SMU通道可用于評(píng)估fet和其他半導(dǎo)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(duì)于給定的材料面積，它們可以產(chǎn)生多少電流。例如，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的研究人員使用Keithley 6517B型靜電計(jì)來(lái)評(píng)估在電弧放電CNT基板上制造的多壁碳納米管 (MWNT) 設(shè)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(chǎng)下進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用一對(duì)smu掃描漏極和柵極電壓，同時(shí)測(cè)量和繪制作為柵極電壓的函數(shù)的漏極電流。

低電流測(cè)量所需的分辨率和精度將決定所使用的測(cè)量工具的類型。當(dāng)準(zhǔn)確性不是問(wèn)題時(shí)，基本的DMM可能就足夠了。但是對(duì)于更苛刻的要求，可能需要精密靜電計(jì)或SMU。例如，2635B和2636B型smu針對(duì)低電流測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化，可提供1fA的測(cè)量分辨率。