李 灝，鄭世棋，喬玉娥，丁立強(qiáng)，梁法國

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引 言

數(shù)字源表、源-測單元（SMU）等源表類儀器將激勵源與測量功能緊密結(jié)合，在測試過程中具備更高的靈活性，尤其在半導(dǎo)體器件特性檢測方面有著較為突出的優(yōu)勢，被半導(dǎo)體生產(chǎn)、測試領(lǐng)域廣泛采用，如LED器件的IV特性曲線、GaN器件最大飽和電流檢測等[1]。輸出電流準(zhǔn)確與否直接影響測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，進(jìn)而對元器件的可靠性造成影響，因此，電流參數(shù)的有效校準(zhǔn)尤為重要。

源表類儀器電流參數(shù)量值微小，為了減少泄漏電流等因素帶來的干擾，目前普遍采用Guard保護(hù)技術(shù)以保證測量準(zhǔn)確度。以B1505A型半導(dǎo)體特性分析儀為例，在采用Guard保護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上，其SMU模塊電流源最低量程可以達(dá)到1 pA。該類型源表儀器電流輸出量值微小，且指標(biāo)同標(biāo)準(zhǔn)電流測量儀器（如6430數(shù)字源表）接近，給電流參數(shù)計量工作的開展帶來了困難。

徐迎春、劉沖等[2-3]使用指零儀、高值電阻及高調(diào)節(jié)分辨率電壓源搭建系統(tǒng)，先后實現(xiàn)了20 pA～2 μA 和 1 pA～1 μA 量程范圍的電流校準(zhǔn)，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及操作過程比較復(fù)雜，對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備有較高的要求。喬玉娥等[4]提出了半導(dǎo)體特性分析儀電流參數(shù)的校準(zhǔn)方案，重點對高值電阻的定標(biāo)方法進(jìn)行了闡述，該方案具有操作簡便、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點。王一幫等[5]采用有源適配器的方法，較好地解決了不含Guard端口的直流電流源校準(zhǔn)問題。在上述方案中，喬玉娥等人提出的方案為帶有Guard端口的源表類儀器校準(zhǔn)提供了指導(dǎo)，但其主要是針對半導(dǎo)體特性分析儀進(jìn)行的研究與應(yīng)用，且未對Guard保護(hù)技術(shù)及小電流適配器的原理進(jìn)行深入探討。

針對源表類儀器皮安級微小電流的校準(zhǔn)需求，在取樣電阻法基礎(chǔ)上，重點分析了用Guard保護(hù)技術(shù)實現(xiàn)高源內(nèi)阻電壓測量的原理，建立了高源內(nèi)阻電壓提取模型，制作微小電流適配器，編寫自動校準(zhǔn)程序，最終實現(xiàn)皮安級微小電流的有效校準(zhǔn)，擴(kuò)寬了能力范圍，提高了測量不確定度。

1 方法研究

源表類儀器輸出的直流電流量值微小、指標(biāo)較高，限于標(biāo)準(zhǔn)電流測量設(shè)備測量能力，電流的直接校準(zhǔn)方法難以滿足其計量需求[6]。為此，采取了基于歐姆定律的取樣電阻法[7-8]，以實現(xiàn)源表類儀器微小電流參數(shù)的校準(zhǔn)。圖1為校準(zhǔn)方案的示意圖，其中，被校源表作為電流源輸出電流Is，高源內(nèi)阻R1為取樣電阻，電壓表用于對取樣電壓V進(jìn)行測量，并利用歐姆定律計算得到被校電流量值。

取樣電阻法方案中，由于被校電流量值微小，需選擇高阻值電阻作為取樣電阻。電流源經(jīng)由高值電阻轉(zhuǎn)化為電壓后，該電壓便相當(dāng)于一個具有極高內(nèi)阻（高值電阻阻值）的電壓源，即標(biāo)準(zhǔn)電壓表要對高源內(nèi)阻電壓進(jìn)行測量。在進(jìn)行高源內(nèi)阻電壓測量時，電壓表不能再視為理想電壓表，其內(nèi)阻的分流效應(yīng)會給電壓測量帶來嚴(yán)重負(fù)載誤差。圖2為使用電壓表對高源內(nèi)阻電壓進(jìn)行測量的示意圖，電壓表被等效為一個理想電壓表與輸入電阻R2并聯(lián)的形式[9]。

圖1 取樣電阻法電流測量

圖2 高源內(nèi)阻電壓測量

由于電壓表內(nèi)輸入電阻R2的分流作用，通過取樣電阻R1上的電流會減小為

此時，電壓表測得的電壓值V1為

理想取樣電壓值Vi同實際測量值V1之間存在誤差ΔV，該誤差為電壓表內(nèi)阻帶來的負(fù)載誤差，大小為

該負(fù)載誤差占理想電壓值的百分比為

由式（4）可知，取樣電阻R1阻值相對于電壓表輸入阻抗R2越大，電壓測量誤差越大，當(dāng)R2遠(yuǎn)大于R1時，負(fù)載誤差可以忽略。而在皮安級微小電流校準(zhǔn)過程中，所選用的取樣電阻阻值處于吉歐級別，最高需達(dá)到100 GΩ，電壓表輸入電阻不能滿足遠(yuǎn)大于電壓源內(nèi)阻的條件（如8508A型數(shù)字多用表對應(yīng)量程輸入阻抗為10 GΩ以上），無法準(zhǔn)確測得電阻兩端的電壓。因此，微小電流校準(zhǔn)研究的重點，是解決高源內(nèi)阻電壓的測量難題。

1.1 高源內(nèi)阻電壓測量方法

1.1.1 利用源表 Guard 技術(shù)實現(xiàn)阻抗變換

源表類儀器進(jìn)行電流輸出和測量時，受線纜絕緣程度、外界環(huán)境干擾等因素影響，回路的HI端與LO端間可能會存在電流泄漏。為減小泄漏電流干擾，高精度的源表類儀器廣泛采用Guard保護(hù)技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是在回路的HI和LO之間添加Guard層，并通過圖3所示“×1緩存單元”結(jié)構(gòu)，保證Guard與HI端處于同一電位，從而減弱甚至消除HI與LO之間的泄漏效應(yīng)。

圖3 源表內(nèi)部Guard保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

圖中，由于Guard端同HI端處于同一電位，因此Vs≈V0。因為Guard保護(hù)電路的電阻對電壓表輸入電阻來說很?。ㄇW量級），電壓V0的測量不存在負(fù)載誤差的問題。利用該原理，可以將無法精確測量得到高源內(nèi)阻電壓Vs轉(zhuǎn)換為近似相等的V0進(jìn)行測量，實現(xiàn)從高內(nèi)阻到低內(nèi)阻的阻抗變換，為解決高源內(nèi)阻電壓測量問題提供了可能性。

1.1.2 高源內(nèi)阻電壓提取模型建立

為了進(jìn)行高源內(nèi)阻電壓的精確測量，在上述Vs≈V0的基礎(chǔ)上，還必須明確兩者之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立高源內(nèi)阻電壓精確提取模型。

經(jīng)分析，Guard保護(hù)電路中的“×1緩沖單元”本質(zhì)為一個運算放大器，圖4給出該單元的典型誤差模型[10-11]。

在該誤差模型中，引起電壓誤差的主要原因有以下6項：輸入失調(diào)電壓VIO；輸入偏置電流IIB-、IIB+；輸入輸出共模電壓失配（VOCM-VICM）；共模抑制比（CMRR）；電源抑制比（PSRR）；電阻失配。

根據(jù)理想運算放大器的性質(zhì)和電路理論，可得到運算放大器電壓輸出為

圖4 “×1緩沖單元”典型誤差模型

由式（5）分析可知，“×1緩沖單元”輸出誤差部分為一常數(shù)。且假設(shè)在校準(zhǔn)過程中，令接入的高值標(biāo)準(zhǔn)電阻為零，則VID=0，此時測得的VOD即為該輸出誤差，記為Verror。當(dāng)再次接入高值電阻器，此時測得VOD記作V0。根據(jù)線性電路的疊加原理，直流電流低電流適配器輸出的實際電壓為V0-Verror。

即高源內(nèi)阻電壓最終模型為

通過該模型可知，Vs同V0之間存在一常值誤差Verror，該誤差可以在實際校準(zhǔn)過程中，通過在回路中接入短路器的方式予以明確。

表1為在各電流校準(zhǔn)點，接入短路器情況下測得的電壓誤差，該電壓主要包括誤差模型分析得到的常值誤差Verror，此外還包括導(dǎo)線連接、儀器零偏等帶來的干擾，可以一并進(jìn)行消除。測試數(shù)據(jù)顯示，常值誤差一致性較好，符合理論分析及預(yù)期。

表1 電壓誤差測量數(shù)據(jù)

1.2 高源內(nèi)阻電壓測量方法實現(xiàn)

為了快速、高效地完成校準(zhǔn)回路搭建，并將被校源表儀器Guard端口引出，設(shè)計制作了低電流適配器。該適配器包含6個連接端口，校準(zhǔn)過程中的電路連接如圖5所示。源表（以6430為例）信號端口輸出的電流信號從J1進(jìn)入適配器后，通過J3、J4端口處接入的取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓，J5、J6端口將Guard端、LO端間的電壓引出進(jìn)行測量。

圖5 微小電流校準(zhǔn)電路連接示意圖

為減少引線帶來的干擾，增強(qiáng)校準(zhǔn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，適配器同被校儀器、取樣電阻的連接均設(shè)計為無線纜的直插方式。適配器外殼為雙層屏蔽金屬結(jié)構(gòu)，能夠在較大程度上隔離空間電磁干擾。適配器一體化的設(shè)計，也簡化了測試回路組建流程，有助于提高計量工作效率。

2 校準(zhǔn)實驗

2.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)搭建

在明確了校準(zhǔn)方案與原理基礎(chǔ)上，搭建微小電流參數(shù)校準(zhǔn)系統(tǒng)。校準(zhǔn)系統(tǒng)組成包括：標(biāo)準(zhǔn)電壓表、低電流適配器、標(biāo)準(zhǔn)電阻（含短路器）及相應(yīng)的連接線纜。其中，標(biāo)準(zhǔn)電壓表選用FLUKE 8508A型號8位半數(shù)字多用表，標(biāo)準(zhǔn)電阻采用16353系列標(biāo)準(zhǔn)電阻，型號包括16353F～16353H，阻值分別為1～100 GΩ，在實際使用過程中按照上級校準(zhǔn)值使用。

圖6為校準(zhǔn)系統(tǒng)整體示意圖，被校源表選擇了6430型數(shù)字源表，該源表最低電流量程為1 pA，精度為±1%。校準(zhǔn)實驗在恒溫恒濕的屏蔽間進(jìn)行，分為兩個步驟：1）使用短路器確定常值誤差Verror，即建立電流輸出信號中Guard端口同HI端電壓的準(zhǔn)確量值關(guān)系，該常值誤差也將導(dǎo)線連接、儀器零偏等干擾因素考慮在內(nèi)，可以一并消除；2）根據(jù)所校準(zhǔn)的電流數(shù)值，選擇對應(yīng)高值電阻接入校準(zhǔn)回路中，阻值的選取原則是使取樣電壓數(shù)值盡量靠近電壓表基本量程，以保證測量準(zhǔn)確度。記錄下此時電壓表顯示的電壓值V0后，V0-Verror即為被校電流通過標(biāo)準(zhǔn)電阻后轉(zhuǎn)換得到的真實電壓。此時利用標(biāo)準(zhǔn)電阻的上級校準(zhǔn)值，可以計算得到被校電流的測量值：

2.2 自動校準(zhǔn)軟件編寫

相比手動計量操作，自動化校準(zhǔn)具有兩個突出優(yōu)勢：1）減少了操作人員對測量的干擾，尤其是在利用高值電阻進(jìn)行電流校準(zhǔn)時，系統(tǒng)對外界環(huán)境變化極為敏感，人員引起的空氣擾動以及操作中可能對系統(tǒng)造成的觸碰，都會對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性造成影響；2）自動計量方式提高了效率，提升了校準(zhǔn)方法的實際應(yīng)用價值。

校準(zhǔn)程序采用VBA語言進(jìn)行編寫[12]，該語言繼承了VB平臺安全易用、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，對Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、報表生成能力加以利用，在自動化測試與辦公領(lǐng)域具備突出優(yōu)勢[13]。

圖6 微小電流校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

使用VisaCom IO庫實現(xiàn)程序通信功能，通過工控計算機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字多用表和被校源表進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)讀取，物理連接采用儀器常見GPIB接口實現(xiàn)，基本的程序流程如圖7所示。

圖7 自動校準(zhǔn)程序流程圖

操作過程中，操作人員只需正確填寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表與被校源表的GPIB地址，并在對應(yīng)功能寫入校準(zhǔn)點對應(yīng)的首末行值。按照程序提示完成系統(tǒng)搭建后，即可開始自動校準(zhǔn)過程，程序?qū)⒆詣油瓿尚?zhǔn)工作并形成證書。經(jīng)測試，該軟件能夠很好地完成自動校準(zhǔn)工作，且具備界面清晰、操作簡便、運行可靠穩(wěn)定等優(yōu)點。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

表2中給出了微小電流校準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。結(jié)果的不確定度評定過程中，不確定度來源主要從以下5個方面進(jìn)行了考慮：數(shù)表8508A電壓測量誤差引入的不確定度分量、數(shù)表8508A電壓讀數(shù)分辨率引入的不確定度分量、16353系列標(biāo)準(zhǔn)電阻年穩(wěn)定性引入的不確定度分量、標(biāo)準(zhǔn)電阻按上級校準(zhǔn)值使用時引入的不確定度分量以及測量重復(fù)性引入的不確定度分量。不確定度評定結(jié)果滿足相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)定要求，系統(tǒng)具備對被校源表進(jìn)行微小電流校準(zhǔn)的能力。

表2 微小電流校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)傳遞比較法要求，對校準(zhǔn)結(jié)果及測量不確定度進(jìn)行了驗證，判據(jù)如下所示：

其中y為本方案的校準(zhǔn)結(jié)果，y0為上級給出的校準(zhǔn)值，U為本方案校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度，Urel為其相對形式，U0為上級所給校準(zhǔn)不確定度。表3中給出了驗證結(jié)果的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)顯示，實驗校準(zhǔn)結(jié)果同上級校準(zhǔn)值一致性良好，本校準(zhǔn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)1 pA～10 nA 范圍內(nèi)具備 Guard 端的微小電流源的有效校準(zhǔn)。

表3 實驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果

4 結(jié)束語

針對具有Guard端口源表類儀器微小電流校準(zhǔn)難題，研究了可行的校準(zhǔn)方案與適配器，實現(xiàn)了皮安級微小電流校準(zhǔn)，1 pA點測量相對不確定度可達(dá)0.29%。根據(jù)傳遞比較法的相關(guān)要求，與上級計量機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了本方法測量結(jié)果及不確定度評定有效合理。通過校準(zhǔn)方法研究、校準(zhǔn)裝置搭建以及校準(zhǔn)程序編寫，對具備Guard端的源表類儀器（如Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)、2400/2600系列源表等）皮安量級微小電流參數(shù)實現(xiàn)了有效的校準(zhǔn)，準(zhǔn)確度高、操作便捷，具有較好的實際應(yīng)用價值。