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q 高阻和低电流测量基础知识q 测量误差的来源以及修正方法q 调整仪器设置以得到最佳测量结果q 最后总结和评论Page何谓高电阻？q 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。q 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). 高低VSAImR Rl l电流表待测物电压源高电阻测量的定义重要的术语重要的术语: Peta (P) = 1015 Tera (T) = 1012 Giga (G) = 109

2、pico (p) = 10-12 femto (f) = 10-15 atto (a) = 10-18 低电流与高阻测量Page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10-1810-1510-1210-910-610-310010310610910121015a(atto)f(femto)p(pico)n(nano)(micro)m(mili)k(kilo)M(Mega)G(Giga)P(Peta)T (Tera) 1 GW W什么是静电计？ 简单的说这是一个高性能的万用表 可以测量 1 G 的电

3、阻型号型号产品类型产品类型电流测量分辨率电流测量分辨率电阻测量电阻测量电压源电压源电荷测量分辨率电荷测量分辨率B2981A/83A皮安表0.01 fA无无无无无无B2985A/87A静电计/高阻计0.01 fA高达10 PW高达1,000 V1 fC低电流与高阻测量Page浮地 / 接地的电阻测量5浮地浮地接地接地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Page测量数据问题6在低电流测量时，了解瞬态信号的性能是非常重要的。因此,重要的是能够直观地看到一个测量信号的时域特性时域特性和选择适当的测量点测量点。所有测量都包括一

4、定数量的不确定性不确定性,但尤其在低电流测量时，测量结果更必需随机采集 （如平均值平均值和标准偏差标准偏差）。低电流与高阻测量Page噪声问题 - 1最大的实验室噪音来源是交流电源线路 7低电流与高阻测量交流电交流电压压 (50 or 60 Hz)(50 or 60 Hz)时间时间时间时间测量值测量值拿多个电力线周期(PLC)的平均值可以纠正这个噪音。Page噪声问题 - 2消除交流噪声的最佳办法就是完全的隔离8使使用电池供电用电池供电的测量的测量电池测量仪器连连接到交流电接到交流电源的测量源的测量低电流与高阻测量Page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

5、要特点?9电压源电流表电压表湿度传感器温度感应器低电流与高阻测量Page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？10BNC (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Page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Page外部电缆和夹具问题- 2外部连接完整性的验证技术12电流表参考DUT目标三轴电缆测试

6、夹具静电计通过比较参考和目标的电流测量变化,可以获得相对的品质因数。低电流与高阻测量Page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 P13Keysight B2985A/B2987ADate 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待测物噪声数据- 低电流与高阻测量研讨会议程q 高阻和低电流测量基础知识q 测量误差的来源以及修正方法q 调整仪器设置以得到最佳测量结果q 最

7、后总结和评论Page测量误差的来源以及修正方法q 电容耦合q 绝缘体的影响q 泄漏电流q 电缆的机电系统噪声q 外部环境的噪声15低电流与高阻测量Page电容耦合噪声的主要来源电容耦合 - 1q 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Page电容耦合 - 2q 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

8、置在内部测试环境的外面17如何减少电容耦合效应屏蔽测试夹具测试仪器低电流与高阻测量Page屏蔽测量无屏蔽测量电容耦合 - 318测量实例: 无屏蔽 vs. 屏蔽屏蔽的 100 G演示设备静电计屏蔽三轴电缆100 G无屏蔽静电计三轴 鳄鱼夹电缆10 fA p-p2 pA p-p低电流与高阻测量Page电容耦合 - 419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更多的噪音拥有一个测试设置完整性检查功测试设置完整性检查功能能可让您以统计学统计学的方式比较您的测试设置噪音水平。低电流

9、与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法q 电容耦合q 绝缘体的影响q 泄漏电流q 电缆的机电系统噪声q 外部环境的噪声20低电流与高阻测量Page 绝缘体的影响 - 121电电阻测阻测量的设量的设置示例置示例了解您测试系统中使用的绝绝缘缘体属性体属性测测试系试系统常用的绝统常用的绝缘缘体体氟塑料或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Page绝缘体的影响 - 222泄漏电流和介质吸收泄漏电流介质吸收表面电阻率体电阻率等效电路q 泄漏电流是由外加电压和绝缘体的

10、电阻率而决定。q 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。q 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。q 重要的关键:尽量减少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Page绝缘体的影响 - 323前页的测试设置问题印刷电路板材料的绝缘性能比氟塑料材料还要差。由于电压源使用单线电缆,介电吸收发生在其绝缘体中。这种效果可以从电压沉淀时间的改变而看到。较短的接线模式可以减少表面泄漏电流。然而,进入到电路板的泄漏电流则无法消除。Triaxial cab

11、le静电计静电计低电流与高阻测量Page绝缘体的影响 - 424比较理想的设置(i) 通过一个金属分区来隔离电压源线。避免使用印刷电路板(PCB)来连接DUT(iii) 金属换金属换围绕着DUT终端(绝缘）以减少介电吸收效果。(iv) 测试夹具的盖子是牢固连接到地面。浮动的金属部分会通过电容耦合转移噪声。夹具里的每个电缆都稳固的连接以减少电容耦合(ii) 电流表的三轴电缆直接连接到DUT的终端。Triaxial cable静电计静电计低电流与高阻测量Page绝缘体的影响 - 525Keysight 现成的测试装置和电缆16339A Component Test Fixture 16339A 组

12、件测试夹具16008B Resistivity Cell 16008B 电阻率夹具16117B/C Test Lead 16117B/C 测试引线N1413A high resistance meter fixture adapterN1413A 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Page绝缘体的影响 - 6q 16008B测试夹具,可连接B2985/87A静电计以进行体体电阻电阻率率 / / 表表面电阻率面电阻率测量。q 16008B俱备非常高的绝高的绝缘电阻缘电阻和小的介小的介电吸收电吸收,能提供非常准确的高电阻测量。26Keysi

13、ght 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Page测量误差的来源以及修正方法q 电容耦合q 绝缘体的影响q 泄漏电流q 电缆的机电系统噪声q 外部环境的噪声27低电流与高阻测量Page使用保护层技术的好处 (B2985A/87A 例子): 泄漏电流 - 128保护层技术是什么?保护层技术的配置需要使用三轴线三轴线。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

14、, 三轴电缆三轴电缆低电流与高阻测量电流表电压源Page无保护层泄漏电流 - 229保护层技术是如何工作的呢?有保护层高低AImRlDUTIDUTVSIleakRleak高低AImRlDUTIDUTVSIlk2Rlk2Ilk1Rlk1Vd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Page泄漏电流 - 330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Page测量误差的来源以

15、及修正方法q 电容耦合q 绝缘体的影响q 泄漏电流q 电缆的机电系统噪声q 外部环境的噪声31低电流与高阻测量Page来自线缆的机电系统噪声 - 1q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. q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PageKeysight Triaxial三轴线览(16494A)来自线缆的机电系统噪声 - 233Keysight低漏电的三轴线缆导体绝缘层半导体材料层半导体材料层内部屏蔽层内部表皮层外部屏蔽层外部表皮层

16、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Electrometer开路低电流与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法q 电容耦合q 绝缘体的影响q 泄漏电流q 电缆的机电系统噪声q 外部环境的噪声34低电流与高阻测量Page来自外部环境的噪声 - 1TemperatureHumidityLight35温度，湿度和光照q 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.q 关键点: 通过屏蔽罩消除光照的影响q 环境温度的变

17、化会影响小电流的测试q 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q 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.q 关键点: 降低测试环境的湿度测试前清洁掉样品表面的污染物. 低电流与高阻测量Page来自外部环境的噪声 - 2qB2985A/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. q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

18、探测器接口B2985A/87A 皮安表 静电计低电流与高阻测量Page平台搭建的消除误差总结q 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)q 使用保护层和高质量的绝缘材料来搭建测试平台 q 使用低漏电的三轴线缆，杜绝线缆弯曲 振动 过度施压q 在稳定的温度和湿度环境下测试 q 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q 高阻和低电流测量基础知识q 测量误差的来源以及修正方法q 调整仪器设置以得到最佳测量结果q 最后总结和评论Page调整仪器设置，优化测量结果q 仪器的预热 & 自校准 Self-calibr

19、ation q 延迟时间 Wait (delay) time的设置q 积分时间 Aperture (integration) time的设置q 底噪清零 Offset cancelationq 选择小电流档位 10nA range39低电流与高阻测量Page仪器预热 & 自校准 self-calibration40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

20、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Page调整仪器设置，优化测量结果q 仪器的预热 & 自校准 Self-calibration q 延迟时间 Wait (delay) time的设置q 积分时间 Aperture (integration) time的设置q 底噪清零 Offset cancelationq 选择小电流档位 10nA range41低电流与高阻测量Page延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 142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q 影响延迟时间的原因是:

21、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q 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.施加电压 (V)时间 (s)数据测量延迟时间实际电流 (A)低电流与高阻测量Page延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 2q 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%的上升时间为设置时间。而而 B2985A/87A B2985A/87A 采用到达最终施加电压采用到达最终施加电压/ /电流电流0.1%0.1%的的上升时间，速度更快上升时间，速度更快q 同时通过减小电介质充电, B2985/

22、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Page延迟时间 Wait (Delay) Time 的设置 - 344通过时域来观察 通过 B2985/87A 的时域功能时域功能.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Page调整仪器设置，优化测量结果45q 仪器的预热 & 自校准 Self-calibration q 延迟时间 Wait (delay) time的设

23、置q 积分时间 Aperture (integration) time的设置q 底噪清零 Offset cancelationq 选择小电流档位 10nA range低电流与高阻测量Page积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 146减小电源线引入的噪声10 PLC = 10 电源周期1 12 21010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 最大噪声来源最大噪声来源.低电流与高阻测量Page积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 2q 如果你在增

24、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）.q 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Page积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 348减小偶发的噪声尖峰如何减小噪声什么是 Median Filtering?中值滤波器中值滤波器 median filtering.与纯粹增加数据测量平均次数相比，能够在更短的时间内实现消除偶发的噪声尖峰 q中值滤波器 Med

25、ian 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) .q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.q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. 快快 1010倍倍Sample number of Median filter: 3低电流与高阻测量Page积分时间 Aperture (Integration) Time 的设置 - 449测量实例: 中值滤波器 Media

26、n FilterB2985A/87A 皮安表 静电计16008A电阻率夹具Median Filter Median Filter 关闭关闭Median Filter Median Filter 开启开启B2980A Median Filter B2980A Median Filter 的设置的设置 采样点数 N= 2 x Rank + 1低电流与高阻测量Page 50调整仪器设置，优化测量结果q 仪器的预热 & 自校准 Self-calibration q 延迟时间 Wait (delay) time的设置q 积分时间 Aperture (integration) time的设置q 底

27、噪清零 Offset cancelationq 选择小电流档位 10nA range低电流与高阻测量Page底噪清零 Offset Cancelation51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底噪清零 Null 功能底噪补偿电阻值q 每套测试系统都有一定的自身引起的底噪电流. q 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Page调整仪器设置，优化测量结果总结q 仪器预热30分钟后进行自校准 Sel-calibration.q 在数据测

28、量前设置足够的延迟时间 Delay time（尤其大电容）q 增加PLC积分时间 Integration time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.q 开启底噪清零Null功能，进一步降低底噪影响.q 选择小电流档位 10nA range52针对低电流 & 高阻值测量低电流与高阻测量研讨会议程q 高阻和低电流测量基础知识q 测量误差的来源以及修正方法q 调整仪器设置以得到最佳测量结果q 最后总结和评论Page总结准确的准确的 低电流低电流 & & 高阻值高阻值 测量需要测量需要: :q 静电计技术指标能够测试到 fA 级电流和 TOhm