低电流(1nA)与高电阻(1GΩ)的测试技巧

1、低电流(1G)的测试技巧,刘源是德科技业务发展经理,Jul 8, 2015,研讨会议程,高阻和低电流测量基础知识 测量误差的来源以及修正方法 调整仪器设置以得到最佳测量结果 最后总结和评论,何谓高电阻？,为了方便今天的研讨会,我们将把高阻测量定义为大于1 GW 的测量。 此外,高阻表征通常需要低于1纳安的电流测量。,3,输入一个直流电压，测量通过待测物(DUT)的电流，并以欧姆定律计算出电阻(R=V/I).,高电阻测量的定义,重要的术语: Peta (P) = 1015 Tera (T) = 1012 Giga (G) = 109 pico (p) = 10-12 femto (f) = 10

2、-15 atto (a) = 10-18,低电流与高阻 测量,超高电阻测量需要皮安表(pA) 或静电计(eM) /高阻计,4,什么是皮安表？ 简单的说这是一个高精度的电流表 可以测量低于10 nA的电流,10-18,10-15,10-12,10-9,10-6,10-3,100,103,106,109,1012,1015,a (atto),f (femto),p (pico),n (nano), (micro),m (mili),k (kilo),M (Mega),G (Giga),P (Peta),T (Tera), 10 nA, 1 G,什么是静电计？ 简单的说这是一个高性能的万用表 可以测

3、量 1 G 的电阻,低电流与高阻 测量,浮地 / 接地的电阻测量,5,高,低,高,低,寄生电容,漏泄电阻,高,电流表输入端,共地端口,屏蔽（接地）,保护层,共地 端口,电流表输入端,共地端口,低,低电流与高阻 测量,测量数据问题,6,低电流与高阻 测量,噪声问题 - 1,最大的实验室噪音来源是交流电源线路,7,低电流与高阻 测量,噪声问题 - 2,消除交流噪声的最佳办法就是完全的隔离,8,使用电池供电的测量,电池,测量仪器,连接到交流电源的测量,低电流与高阻 测量,低电流 / 高电阻测量， 很典型的都用静电计 / 高阻计,什么是静电计的主要特点?,9,电压源,电流表,电压表,湿度 传感器,温度

4、 感应器,低电流与高阻 测量,低电流测量必须使用三轴线,为什么低电流测量时我们需要用三轴电缆和夹具？,10,BNC (同轴) 线:,三轴电缆:,泄漏电流:,泄漏电流:,三轴电缆降低泄漏电流达100,000,000倍。,绝缘,讯号线,导通保护层,绝缘,讯号线,低电流与高阻 测量,外部电缆和夹具问题- 1,你怎么知道如果你的电缆和夹具没问题?,11,噪声,噪声,夹具/遮蔽盒,在低电流测量时，验证电缆和测试夹具的性能是很重要的。因为这些地方往往是整个测量系统最薄弱的连接。,低电流与高阻 测量,外部电缆和夹具问题- 2,外部连接完整性的验证技术,12,通过比较参考和目标的电流测量变化,可以获得相对的品

5、质因数。,低电流与高阻 测量,在这研讨会所引用的静电计,电流测量低至 0.01飞安 电阻测量高达 10 P,13,Keysight B2985A/B2987A,Date Noise - -,Date Noise - -,时域视图,实时直方图视图,0.01 fA (0.00001 pA) 有效分辨率和 0.001 fA 显示分辨率,俱备电池供电操作模式 (B2987A),可选安装设置完整性检查功能以测量和记录设置噪声水平,噪声数据- -,低电流与高阻 测量,研讨会议程,高阻和低电流测量基础知识 测量误差的来源以及修正方法 调整仪器设置以得到最佳测量结果 最后总结和评论,测量误差的来源以及修正方法

6、,电容耦合 绝缘体的影响 泄漏电流 电缆的机电系统噪声 外部环境的噪声,15,低电流与高阻 测量,电容耦合噪声的主要来源,电容耦合 - 1,电容耦合引起的电流噪声出现在两个截然不同的方式: 通过外加电压的变化和通过振动,16,什么导致电容耦合噪声？,人体活动 人体可以保留电荷并施加足够的电压。,随机电压波动: 交流输电线路 信号线,低电流与高阻 测量,电容耦合 - 2,屏蔽 因为高阻和低电流测量对外部噪声非常敏感,适当的屏蔽是至关重要的。 一个理想的测试夹具必须完全把待测物包围在导电材料里。它必须与地面保持一定的电位并确保所有不必要的电线搁置在内部测试环境的外面,17,如何减少电容耦合效应,测

7、试 仪器,低电流与高阻 测量,屏蔽测量,无屏蔽测量,电容耦合 - 3,18,测量实例: 无屏蔽 vs. 屏蔽,10 fA p-p,2 pA p-p,低电流与高阻 测量,电容耦合 - 4,19,验证测试设置的完整性,屏蔽测量,无屏蔽测量,参考(): 在测试设置断开时的参考噪声值 目标(): 在测试设置连接时的目标噪声值 方差比: 参考值和目标值的方差比,更多的噪音,拥有一个测试设置完整性检查功能可让您以统计学的方式比较您的测试设置噪音水平。,低电流与高阻 测量,测量误差的来源以及修正方法,电容耦合 绝缘体的影响 泄漏电流 电缆的机电系统噪声 外部环境的噪声,20,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响

8、 - 1,21,电阻测量的设置示例,了解您测试系统中使用的绝缘体属性,测试系统常用的绝缘体 氟塑料或PVC (电缆和电线) PCB (电路板) (待测物连接) 塑料连接器 (待测物连接),Triaxial cable,静电计,绝缘体可以对测量结果产生重大影响,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响 - 2,22,泄漏电流和介质吸收,等效电路,泄漏电流是由外加电压和绝缘体的电阻率而决定。 重要的关键: 在施压大电压（几百伏）时，你必须考虑绝缘体的电阻率。 由于表面污染会影响表面电阻率，保持绝缘体的表面清洁是必需的。,当对绝缘体施加电压时，会导致电荷极化。这会循序转变成衰减电流。 重要的关键: 尽量减少

9、绝缘体周围带有波动电压的电线和隔离绝缘体与带有恒定电压偏置的信号线。,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响 - 3,23,前页的测试设置问题,Triaxial cable,静电计,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响 - 4,24,比较理想的设置,Triaxial cable,静电计,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响 - 5,25,Keysight 现成的测试装置和电缆,16339A Component Test Fixture 16339A 组件测试夹具,16008B Resistivity Cell 16008B 电阻率夹具,16117B/C Test Lead 16117B/C 测试引线,N14

10、13A high resistance meter fixture adapter N1413A 高阻计夹具适配器,HV Coaxial (高压同轴）,Triaxial （三轴）,低电流与高阻 测量,绝缘体的影响 - 6,16008B测试夹具,可连接B2985/87A静电计以进行体电阻率 / 表面电阻率测量。 16008B俱备非常高的绝缘电阻和小的介电吸收,能提供非常准确的高电阻测量。,26,Keysight 16008B 测试夹具 （电阻率测量）,16008B Resistivity Cell,典型的测试夹具都常使用印刷电路板来进行内部连接,低电流与高阻 测量,测量误差的来源以及修正方法,电

11、容耦合 绝缘体的影响 泄漏电流 电缆的机电系统噪声 外部环境的噪声,27,低电流与高阻 测量,使用保护层技术的好处 (B2985A/87A 例子):,泄漏电流 - 1,28,保护层技术是什么?,保护层技术的配置需要使用三轴线。,无保护层的泄漏电流:,有保护层的泄漏电流:,Vd 少过 100 V (20 V 根据B2985A/87A的负担电压规格）。 当 Vs = 100 V 和 Rleak = Rlk1,三轴电缆,低电流与高阻 测量,电流表,电压源,无保护层,泄漏电流 - 2,29,保护层技术是如何工作的呢?,有保护层,高,低,A,Im,Rl,DUT,IDUT,VS,Ileak,Rleak,高

12、,低,A,Im,Rl,DUT,IDUT,VS,Ilk2,Rlk2,Ilk1,Rlk1,Vd,保护层技术通过寄生并联电阻路径来降低泄漏电流。,低电流与高阻 测量,泄漏电流 - 3,30,测量实例: 有保护层 vs. 无保护层,使用同轴电缆的无保护层测量,使用三轴电缆的有保护层测量,静电计,线: 16494A 三轴电缆 DUT: 断开,静电计,线: 16493B 同轴线 (和 N1254A-106 三轴 BNC适配器） DUT: 断开,低电流与高阻 测量,测量误差的来源以及修正方法,电容耦合 绝缘体的影响 泄漏电流 电缆的机电系统噪声 外部环境的噪声,31,低电流与高阻 测量,来自线缆的机电系统噪

13、声 - 1,摩擦电效应来自过度弯曲使得线缆屏蔽层与绝缘层产生额外的噪声漏电流. 压电体效应来自过度机械压力使得线缆绝缘层产生额外噪声漏电流,32,摩擦电（triboelectric）和压电体（piezoelectric） 效应,机械压力,测试 仪器,低电流与高阻 测量,Keysight Triaxial三轴线览 (16494A),来自线缆的机电系统噪声 - 2,33,Keysight低漏电的三轴线缆,噪声电流,通过使用低漏电的三轴线缆，以及杜绝线缆弯曲 振动 过度施压.,在线缆的内部屏蔽层和绝缘层之间，有一层半导体材料层，用来减小层间摩擦引起的冲放电,3Hz, 5cm p-p 振动,Elect

14、rometer,开路,低电流与高阻 测量,测量误差的来源以及修正方法,电容耦合 绝缘体的影响 泄漏电流 电缆的机电系统噪声 外部环境的噪声,34,低电流与高阻 测量,来自外部环境的噪声 - 1,35,温度，湿度和光照,如果样品是半导体材料构成，那么由于光照引起的电子空穴对会产生漏电流，影响小电流测量. 关键点: 通过屏蔽罩消除光照的影响,环境温度的变化会影响小电流的测试 关键点: 保持环境温度恒定 让测试仪器和样品尽量远离温变装置 仪器需要开机三十分钟再测试，使仪器内部器件足够时间预热，才能达到技术指标范围,高湿度加上样品表面污染物，会影响表面绝缘性，导致漏电流增加. 关键点: 降低测试环境的

15、湿度 测试前清洁掉样品表面的污染物.,低电流与高阻 测量,来自外部环境的噪声 - 2,B2985A/87A 有K型温度/湿度探测器接口，可以连接外部温度/湿度探测器来监视环境温度和湿度. 温度和湿度监视数据可以与每一次的测量值放在一起输出，这样方便准确得比较不同测量值的实际环境情况是否一致.,36,在测量仪器里随时监控温度和湿度,湿度探测器接口,温度探测器接口,B2985A/87A 皮安表 静电计,低电流与高阻 测量,平台搭建的消除误差总结,使用屏蔽罩，减小测试平台周围的移动，保持安静 (尤其是人的移动) 使用保护层和高质量的绝缘材料来搭建测试平台 使用低漏电的三轴线缆，杜绝线缆弯曲 振动 过

16、度施压 在稳定的温度和湿度环境下测试 保持半导体材料表面干净，无污染物,37,针对于高阻值 & 低电流测量,低电流与高阻 测量,研讨会议程,高阻和低电流测量基础知识 测量误差的来源以及修正方法 调整仪器设置以得到最佳测量结果 最后总结和评论,调整仪器设置，优化测量结果,仪器的预热 & 自校准 Self-calibration 延迟时间 Wait (delay) time的设置 积分时间 Aperture (integration) time的设置 底噪清零 Offset cancelation 选择小电流档位 10nA range,39,低电流与高阻 测量,仪器预热 & 自校准 self-ca

17、libration,40,几乎所有仪器都需要至少30分钟预热来达到最佳状态，预热后才能满足技术指标。 几乎所有用于低电流测量的仪器都有自校准 self-calibration 功能，在测试前必须完成自校准这一步操作，才能降低仪器的测量底噪。,没有进行预热 & 自校准的100 G 电阻测量结果（统计直方图）,进行预热 & 自校准之后的100 G 电阻测量结果（统计直方图）,低电流与高阻 测量,调整仪器设置，优化测量结果,仪器的预热 & 自校准 Self-calibration 延迟时间 Wait (delay) time的设置 积分时间 Aperture (integration) time的设

18、置 底噪清零 Offset cancelation 选择小电流档位 10nA range,41,低电流与高阻 测量,延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 1,42,仪器的延迟时间和电介质充电,在实施数据测量前要保证足够的延迟时间,影响延迟时间的原因是: 仪器自己的设置时间 样品在施加电压跳变的开始瞬间又介电质充电现象 考虑到样品特性（尤其是大电容）和仪器性能，需要有足够的延迟时间让样品电介质充电完成后再实施数据测量.,实际电流 (A),低电流与高阻 测量,延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 2,大多数品牌仪器定义设置时间为 当到达最终施加电压/电流10

19、%的上升时间为设置时间。而 B2985A/87A 采用到达最终施加电压/电流0.1%的上升时间，速度更快 同时通过减小电介质充电, B2985/87A 即使在小电流的高精度的测量档位上，也能得到很快的设置时间，使得测量速度更快.,43,仪器自己的设置时间是如何来的,重要！不同品牌仪器之间的设置时间是大不一样的.,低电流与高阻 测量,延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 3,44,通过时域来观察,通过 B2985/87A 的时域功能.可以判断到底需要多少延迟时间等待介电质充电完成,B2985A/87A 皮安表 静电计,滚动视图 (时域) 模式,低电流与高阻 测量,调整仪器设置

20、，优化测量结果,45,仪器的预热 & 自校准 Self-calibration 延迟时间 Wait (delay) time的设置 积分时间 Aperture (integration) time的设置 底噪清零 Offset cancelation 选择小电流档位 10nA range,低电流与高阻 测量,积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 1,46,减小电源线引入的噪声,可以通过增加数据测量的积分时间，在多个电源周期平均测试数据，达到减小电源线引入的噪声.,通常电源线引入的噪声是 最大噪声来源.,低电流与高阻 测量,积分时间 Aperture (I

21、ntegration) Time 的设置 - 2,如果你在增加了更多PLC的积分时间仍然消除不了电源线引入噪声，或者你需要在一个PLC的积分时间内完成快速测试，使用电池供电的皮安表/静电计则是你最好的选择 （例如B2987A）. 另外，电池供电的B2987A方便你在外场使用.,47,使用电池供电是减小电源线引入噪声的最好办法,电池,低电流与高阻 测量,积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 3,48,减小偶发的噪声尖峰,如何减小噪声,什么是 Median Filtering?,中值滤波器 median filtering.与纯粹增加数据测量平均次数相比，能

22、够在更短的时间内实现消除偶发的噪声尖峰,中值滤波器 Median Filter 如果中值滤波器的采样点数是 R, 那么能减小噪声 exp(-R/2) . 增加PLC的平均 如果平均采样点数是 N，那么能减小噪声one-Nth. 例子: 要求增加积分时间减小噪声到 1/100 中值滤波器 Median Filter 10 倍时间 平均 100 倍时间,通常用来减小噪声的数据处理技术, 中值滤波器用附近数据测量的中值来取代该数据测量的值.,快 10倍,Sample number of Median filter: 3,低电流与高阻 测量,积分时间 Aperture (Integration) Ti

23、me 的设置 - 4,49,测量实例: 中值滤波器 Median Filter,B2985A/87A 皮安表 静电计,16008A 电阻率夹具,Median Filter 关闭,Median Filter 开启,B2980A Median Filter 的设置,采样点数 N= 2 x Rank + 1,低电流与高阻 测量,50,调整仪器设置，优化测量结果,仪器的预热 & 自校准 Self-calibration 延迟时间 Wait (delay) time的设置 积分时间 Aperture (integration) time的设置 底噪清零 Offset cancelation 选择小电流档

24、位 10nA range,低电流与高阻 测量,底噪清零 Offset Cancelation,51,底噪清零 Null 功能 & 底噪补偿电阻值,小电流测试的底噪清零功能，以及底噪补偿电阻值 （如果需要测电阻）能够用来消除底噪引入的误差,每套测试系统都有一定的自身引起的底噪电流. 底噪清零 Null 功能能够将测试系统自身的底噪从样品测试数据中减掉.,开启指示,低电流与高阻 测量,调整仪器设置，优化测量结果总结,仪器预热30分钟后进行自校准 Sel-calibration. 在数据测量前设置足够的延迟时间 Delay time（尤其大电容） 增加PLC积分时间 Integration time

25、来减小电源线引入的噪声. 如果电源线引入噪声仍然存在，考虑用电池供电的B2985A B2987A. 开启底噪清零Null功能，进一步降低底噪影响. 选择小电流档位 10nA range,52,针对低电流 & 高阻值测量,低电流与高阻 测量,研讨会议程,高阻和低电流测量基础知识 测量误差的来源以及修正方法 调整仪器设置以得到最佳测量结果 最后总结和评论,总结,准确的 低电流 & 高阻值 测量需要: 静电计技术指标能够测试到 fA 级电流和 TOhm 级电阻. 夹具 线缆等测试系统漏电流足够小，同时人员有足够的低电流 & 高电阻测量知识和经验去搭建系统. 正确设置仪器，优化测量结果，让仪器发挥最大效能. 强烈推荐静电计有如下功能: 时域 & 统计直方视图功能 电池供电能力减小电源线引入的