低电流测量仪器电流测量方法

我们将低电流定义为小于10nA的电流。标准低电流测量应用包括估计FET栅极漏电流、光电二极管电流、电容器漏电流、离子束电流、纳米电子器件性能和光电倍增管输出。对于这些测量，选择最适合的测量仪器和测量方法对避免测量误差至关重要。

我们可以将高阻测量定义为超过1GΩ电阻值的测量。这些应用包括测量绝缘体电阻率；测试绝缘电阻；测试多芯电缆、连接器和印制电路板等装置；测量高达MΩ级电阻值的电阻器。

确保最佳低电流和高电阻测量的关键在于：

* 选择具有应用所需电流灵敏度的仪器

* 选用合适的电缆和连接使失调最小

* 核查系统失调以确定噪底

* 确认潜在误差源使产生的有害电流最小

低电流测量仪器

如果应用要求测量极低的电流，那么正确选择测量仪器极为重要。大多数低电流直流测量采用静电计、皮安表或源-测量单元(SMU)。静电计是一种能测量低电流、高电阻、高输入阻抗电压及电荷的精密直流万用表。皮安表是一种只测量低电流而且可以测量高电阻(如有内建电压源)的仪器。SMU可以提供电流和电压源，还能测量电流与电压。然而，并非所有SMU都具有低电流性能，所以要仔细检查技术指标。

数字万用表(DMM)一般不适于测量极低电流，因为DMM的输入失调电流过大、电流分辨率不够高而且输入压降过大。

电流测量方法

测量电流的两种基本方法是分流电流表法(几乎所有DMM都采用，此方法的电流灵敏度有限)和反馈电流表法(静电计、皮安表和SMU等仪器使用)。虽然理想电流表电阻为零，但所有实际电流表都存在内阻。为了最小化负载误差，电流表的内部分流电阻应比DUT电阻小很多。

图2a举例说明了一种分流电流表电路。这是一个基本电压放大电路，其中分流电阻在输入端，形成了电流表。输入电流经过此分流电阻后测量该电压降并计算电流。输出电压Vout定义为：

使用反馈电流表电路(图2b)的仪器中，输入电流经过反馈电阻器(RF)。放大器的低输入偏置电流带来的电流变化量可忽略不计。放大器输出电压用输入电流与反馈电阻乘积的负值计算：

在这种情况下，输出电压能反映输入电流的大小而且反馈电阻器决定了总灵敏度。高增益运算放大器实现了低压降和对应的快速上升时间，这迫使输入电压接近于零。

图2：分流电流表电路(a)与反馈电流表电路(b)。

在衡量一台仪器是否适于低电流应用时，仔细查看准确度指标非常重要。然而，仪器data sheet可能采用不同格式来表示准确度，这会使比较变得复杂。增益和失调误差可以结合为百分数表示的指标以及一系列最低有效位计数表示的指标。准确度还能用百万分率表示。

高阻测量法
虽然可通过源电流/测量电压或者源电压/测量电流的方法测量电阻值，但高阻测量建议采用源电压/测量电流的方法。可以使用静电计(或皮安表)和电压源(见图3a)进行高阻测量。某些带有内建电压源的静电计和皮安表能够自动计算电阻值。

SMU还适于测量高电阻。在SMU内部，电流表和电压源采用串联连接(见图3b)。未知电阻连接在SMU的HI施加端子和LO施加端子之间。

图3：通过静电计(或皮安表)和电压源(a)或通过SMU(b)的源电压/测量电流方法测量高电阻。

用源电压/测量电流法进行高阻测量时，用户必须考虑电压源和电流表的准确度，以及器件连接的完整性。从连接器经过电缆进入测试夹具的整个信号路径都必须经过优化才能

保持信号劣化最小。

电缆和连接器

用于低电流和高电阻测量的两种常见连接器类型是双接头的BNC连接器和三接头的三同轴连接器。BNC连接器用于屏蔽层包裹单芯导体构成的同轴电缆。在进行高灵敏度测量时，屏蔽电缆具有最小化噪声的重要作用。三同轴电缆配合SMU使用，因为第三根芯能实现防护测量。

测量高电阻时，应当选择芯与芯之间绝缘电阻高的电缆。质量好的三同轴电缆采用聚乙烯绝缘材料，而且一根芯专用于屏蔽约为1E12 Ω/ft的绝缘电阻。一定要核对厂家的指标并确保电缆和连接器都能用于高阻抗测量。同轴电缆和三同轴电缆都有适于低电平测量的低噪声版本。低噪声电缆的内部石墨涂层能让失调最小。即便普通同轴电缆的漏电流和噪声电流都高于低噪声电缆，但在某些情况下普通同轴电缆(例如RG-58)就够用了。

电缆电阻值、电容值和漏电流随电缆长度增加而变化，所以尽可能让所有连接电缆长度最短极为重要。用屏蔽电缆和测试夹具可以防静电。测试光敏器件时，一定要使用遮光的测试夹具。

为避免测量误差，将静电计、SMU或皮安表正确连至DUT非常重要。一定要将仪表的高阻端子连至被测电路的最高阻抗点。

测量低电流测量系统的失调电流
建立一个用于测量非常小电流的系统的第一步是要确定整个测量系统的零点偏差和漏电流，这样有助于确定整个系统的噪底极限，设定查找潜在问题的起点，并在必要时对系统作出改进。有两种类型的偏差必须要加以考虑：内部偏差和外部偏差。内部偏差包括电流计的输入偏置电流，外部偏差包括由连接电缆、适配器、测试夹具和探针引起的偏差。

首先，确定电流计的输入偏置电流值，这可以通过测量最小量程时的开路电流来确定。然后在电流计的输入端放置一个金属帽(这不是用作短路，而是用作噪声屏蔽)，选择最小电流量程，当读数稳定后记下电流值(见图4)。最后将这个电流值与仪器的指标进行比较。

图4，源测量单元的输入偏置电流与时间的关系。

测量完输入偏置电流后，还需要验证系统其余部分的偏差。通过逐个增加测试电路的附件并重复电流测量来重复偏差电流的测量。最终测量在测试电路中增加了所有电缆、连接器和测试夹具或探针台后进行，此时不应连接设备。这个过程有助于判断所有故障点，比如测量电路中的短接电缆。

测量误差源
小电流高阻抗测量经常会遇到各种误差源，包括漏电流和稳定时间。测量电路的稳定时间(即在施加或改变电流或电压后测量值达到稳定的时间)尤其重要。所用的测量量程会影响到稳定时间。通常电流量程越小，稳定时间越长。由电缆和测试夹具带来的并联电容以及源阻抗也会改变稳定时间——并联电容和源阻抗越大，稳定时间越长。

当带电物体接近待测电路时会产生静电干扰。在低阻抗等级时，这种干扰的影响不太显著，因为电荷会很快释放掉。但高阻抗材料不允许电荷很快衰减，因此可能导致不稳定、有噪声的测量结果。

一般来说，静电干扰是在测量电流小于1nA、测量电阻小于1GΩ时出现的问题(见图5)。为了尽量减轻这个问题，待测电路应该密封在静电屏蔽罩内。这个屏蔽罩可以是简单的金属盒，也可以是一种网格状屏蔽盒，但需要将待测电路封闭在里面。将屏蔽罩连接到测试电路公共端，即电流计的LO端子。同时要确保所有带电的物体和导体远离测试电路的敏感区域。

图5：对100GΩ电阻的非屏蔽与屏蔽电流测量结果表明，非屏蔽系统中噪声有显著的增加。

漏电流是另外一个误差来源。漏电流是一种给待测设备施加电压后流经测试电路绝缘体的误差电流。一般当待测设备的阻抗与测试电路的绝缘体阻抗相当时这个问题就比较突出。以下建议有助于减小测试电路中的漏电流：
* 测试电路中使用高质量的绝缘体，如特氟纶和聚乙烯。
* 尽量减小测试环境中的湿度。
* 尽量使用保护技术。保护点是电路中接近待保护高阻引线的相同电位的低阻抗点。使用保护技术来防止由于电缆或测试夹具引起的漏电流是很有必要的。使用三轴电缆可以帮助保护电路最大程度地减小漏电流，并取得更快的稳定时间。保护电路会减少电缆的电容效应，从而缩短电路的响应时间。

各种误差来源
实际应用中有多种误差来源，它们都会产生电流(见图6)。例如因导体与绝缘体之间摩擦产生的电荷引起的摩擦电流，原理是自由电子脱离导体形成电荷的不平衡从而导致电流的流动。这种噪声电流在数十纳安范围内。低噪声电缆由于在外部屏蔽层底下使用了充满石墨的绝缘物因而能够极大地减弱这种效应。然而，即使是低噪声电缆在受到振动或与温度有关的热胀冷缩时也会产生一些噪声。建议将电缆连接或系扎到墙体、工作台或坚固结构等非振动表面，并将它们与电机、泵和其它电机设备等振动源保持隔离。

图6：电流产生现象。

当绝缘端子和互连硬件使用某种晶体材料、而这些材料又受到机械应力时就会产生压电电流。为了尽量减小这些压电效应，建议尽量消除来自绝缘体的机械应力，并选择具有最小压电效应和存储电荷的绝缘材料。

高湿或者人体油污、盐、焊剂等带来的离子污染会显著减小测试夹具的绝缘电阻。湿气或潮气会与存在的任何污染物结合起来形成电气化学效应，并产生偏差电流。为了防止这方面的问题，建议选择能够防止吸收水份的绝缘体并保持中等的湿度(最好是小于50%)。所有元器件和测试夹具都要远离污染源。

待测设备的源电阻和源电容都会影响反馈式电流计的噪声性能。当源电阻减小时，电流计的噪声增益会增加。表1列出了针对不同量程的反馈电流计的典型源电阻推荐值，但还是建议查阅特定电流计的参考手册获得推荐值。

表1：基于电流量程的源电阻推荐值。

待测设备的源电容将影响反馈电流计的噪声性能：当源电容增加时，噪声增益也随之增加。虽然最大源电容值存在极限，但通常可以给设备串联一个电阻或正向二极管来测量电容的漏电流。

优化小电流高阻抗测量应用的精度很大程度上取决于：选择能够提供合适灵敏度的仪表，确保使用的所有电缆、连接器和测试夹具是专门针对高阻抗应用设计的，尽量减少测试误差源，在整合过程的每个阶段验证测试系统性能。