分析系统优化小电流测量（上）

测量电路中的不稳定性。然而，要意识到，连接和断开电缆都会在电路中产生电流。为了进行超低电流测量，可能有必要在改变测试电路的连接后等待几分钟至几个小时，使杂散电流衰减。图4中的图形显示的是以下条件下的偏移：1)SMU的Force HI端子上戴有金属帽；2)前置放大器上仅连接一根三轴电缆；3)通过吉时利7174A型小电流开关矩阵至探针台，“up”位置有一个探针。

图3. Append按钮

图4. 整个测试系统的偏移电流测量

在生成电流-时间图形时施加一个测试电压，重复该项测试，确定测量电路中的漏泄电流。在DUT的实际测量中，使用的是测试电压，而非零偏压。现在，将测量并绘制测试夹具和电缆中的任何漏流。如果漏流太高，可对测量电路进行调节，减小漏流。关于减小漏流的方法信息，请参见本文“漏流和保护”部分。

IV测量误差源及减小误差的方法
确定了电流偏移、漏流及所有不稳定性后，采取措施减小测量误差将有助于提高测量准确度。这些误差源包括建立时间不足、静电干扰、漏泄电流、摩擦效应、压电效应、污染、湿度、接地环路，以及源阻抗。图5中汇总了本节讨论的部分电流的幅值。

图5. 产生电流的典型幅值

建立时间和定时菜单设置
测量电路的建立时间在测量小电流和高电阻时尤其重要。建立时间是指施加或改变电流或电压后测量达到稳定的时间。影响测量电路建立时间的因素包括并联电容(CSHUNT)和源电阻(RS)。并联电容是由于连接电缆、测试夹具、开关和探针造成的。DUT的源电阻越高，建立时间越长。图6的测量电路中标出了并联电容和源电阻。

图6. 包含CSHUNT和RS的SMU测量电路

建立时间是RC时间常数τ的结果，其中：
τ = R_SCSHUNT
以下为计算建立时间的一个例子，假设 C_SHUNT = 10pF，R_S = 1TΩ，那么：
τ = 10pF × 1TΩ = 10s
因此，读数稳定至最终值的1%所需的建立时间为τ的5倍，也就是50秒。图7所示为RC电路的阶跃电压指数响应。经过一个时间常数(τ = RC)后，电压上升至最终值的63%。

图7. RC电路的阶跃电压指数响应

为了成功测量小电流，重要的是每次测量留有足够的时间，尤其是扫描电压时。对于扫描模式，可在“ Sweep Delay”(扫描延迟)域的“Timing”(定时)菜单中添加建立时间；对于采样模式，则在“Interval time”域内。为了确定需要增加多长间隔时间，通过绘制电流-时间图，测量DUT稳定至某个阶跃电压的建立时间。阶跃电压应该是DUT实际测量中使用的偏执电压。可利用LowCurrent项目中的ITM测量建立时间。应适当增加“Timing”(定时)菜单中的“#Samples”，以确保稳定后的读数显示在图形中。在测量小电流时，采用“Quiet Speed Mode”或在“Timing”菜单中增加额外滤波。请注意，这是噪声和速度之间的平衡。滤波和延迟越大，噪声越小，但是测量速度也越小。

V电磁干扰和屏蔽
当带电物体接近被测电路时，会发生静电耦合或干扰。低阻抗时，由于电荷消失很快，所以干扰的影响不明显。然而，高电阻材料不会使电荷快速衰减，则会造成测量不稳定、噪声很大。通常情况下，当被测电流≤1nA或者被测电阻≥1GΩ时，静电干扰就会成为问题。

为了减小静电场影响，被测电路可被密封在一个静电屏内。图8所示为非屏蔽和屏蔽测量一个100GΩ电阻之间的巨大差异。非屏蔽测量比屏蔽测量时的噪声要大得多。

图8. 100GΩ电阻的屏蔽和非屏蔽测量的比较

屏蔽可以仅仅是一个将测试电路包围起来的简单金属盒或金属网。商业探针台往往将敏感电路密封在一个静电屏蔽内。屏蔽被连接至测量电路LO端子，该端子不一定接地。对于4200-SCS来说，屏蔽连接至Force LO端子，如图9所示。

图9. 屏蔽高阻器件

采取以下步骤将静电耦合导致误的差电流降至最小：
•屏蔽DUT，并将屏蔽层在电气上连接至测试电路公共端——4200-SCS的Force LO端子。
•使所有带电物体(包括人员)和导体远离电路的敏感区域。
•测试区域附近避免移动和振动。

VI漏流和保护I
漏流是施加电压时通过(泄露)电阻的误差电流。当DUT的阻抗与测试电路中绝缘体的阻抗相当时，该误差电流就会成为问题。为减小漏流，在测试电流中采用高质量的绝缘体、降低测试实验室的湿度，并采用保护。

保护是由一个低阻源驱动的导体，其输出为或接近高阻端子的电势。保护端子用于保护测试夹具和电缆绝缘电阻和电容。保护是三轴连接器/电缆的芯屏蔽，如图10所示。

图10. 4200三轴连接器/电缆的导体

请勿混淆保护和屏蔽。屏蔽通常意味着采用金属护栏防止静电干扰影响高阻电路。保护则意味着使用增加的低阻导体，将其维持在于高阻电路相同的电势，它将拦截任何干扰电压或电流。保护不一定提供屏蔽。下图

为保护的两个例子：1)利用保护降低测试夹具导致的漏流，而2)则利用保护降低由于电缆连接产生的漏流。

图11所示为保护消除可能会通过测试夹具内隔离绝缘体的原理。在图11a中，漏流(IL)通过隔离绝缘体(RL)。该漏流增加至来自于DUT (IDUT)，然后被SMU安培计测得(IM)，对小电流测量的准确度造成不利影响。