参数测量基础——工程师基础知识

原创：是德科技

“我经常讲当你了解所谈论的某件事情时，你就能够进行测量和用数字表述 ......"

"而当你不能测量和用数字表述时，你的知识是不完整和不及格的; 这只是初步和片面的了解，无论是否可能，您都应力求攀上科学的更高一层。" — 威廉·汤姆孙 (开尔文勋爵)

---

重要的五个个测量术语：

准确度、可重复性、分辨率，屏蔽和保护。

其中准确度和可重复性是相互独立的。

 

 

 

 

 

 

对于生产测试来说，可重复性通常比绝对准确度更为重要。

最重要的是分辨率，这个是上述两个参数的基础，是仪器能够测量的最小可分辨的数据量。

---

屏蔽与保护：

初学者有时会混淆屏蔽和保护，虽然两者有很大的不同，并且有完全不同的目的。屏蔽的目的是防止静电噪声对测量的测量。保护的目的是防止泄漏电流和实现低电流 (fA 级范围) 测量。屏蔽不能作为保护，保护也不需要有良好的屏蔽。作为经验法则，低于 1 nA 的测量应使用保护; 低于 1 pA 的测量则应同时使用保护和屏蔽

屏蔽是用导电材料包围测量环境的方法消除静电噪声。电磁场基本理论阐明导电材料包围的体积会产生电磁信号不能穿越的壁垒。因此也被称为建立了一个“法拉第笼”。通常参数测试都会使用如下图所示的某种类型屏蔽盒:

应记住在试图建立良好屏蔽的测量环境时，有许多极好的做法:

• 测量区域要用导体材料包围，测量电缆要有金属屏蔽或编织。
• 要把机箱和电缆屏蔽接到测试仪器的公共端 (屏蔽) 和/或接地端。
• 为减少电容及振动影响，应尽可能让屏蔽和测试电路离得远。
• 消除通过门、铰链、管道和电缆入口点，连接器及连接器板，板间缝隙/连接的“漏光”。
• 用导电材料堵住各种缝隙。

 既然正确的屏蔽是要完全包围测量环境，那么如何进行连接呢? 

是德科技公司可提供专用于此的各种装有三轴连接器和 BNC 连接器的连接器板。

总之，一定要记住在构筑良好屏蔽的测量环境时:

● 保持所有带电物体 (包括人) 和导体远离测量区。

● 在测试电路附近要用良好导电的材料，而不要使用绝缘材料。

● 在测量区域附近避免运动和振动 (会引起空气流动和/或振动)。

● 当测量电流 <1 pA 时，用导电 (金属) 外壳屏蔽测量区域，并把外壳接到测试仪器的公共端 (屏蔽) 和/或接地端。

● 把屏蔽外壳和测试电路间的电容减到最小。

避免接地环路

避免接地环路

在使用屏蔽时，尚未叙及的一个常见问题是建立了接地环路。虽然所有屏蔽都接地，但当您把测量环境中的多台经屏蔽的仪器和电缆接地时，几乎可肯定它们并不处于相同的电位。考虑两块导电平板接地的情况:

图 2.6 — 只在一点连接的导电平板之间没有任何电流流过

只要这些导电平面只在一点连接，由于没有电流流过，平板间的任何共模电压 (Vcm) 就不会成为问题。但如果这些接地平板是多点连接，它们之间就会有电流流过。所造成的共模电压将严重影响参数测量的结果:

图 2.7 — 多点连接的导电平板构成电流环路 (要避免的条件)

虽然好像是反直觉的，但在进行参数测量时，最好的方法是避免过度接地，而是把它们都接到单一接地点上。注意: 由于仪器几乎都有自己的机箱地，您应接着把它接到大地上，这是您方便的接地方法。如果您怀疑存在接地问题，最简单的解决办法是把所有设备的电源线一起接到共用的配电板上。

保护: 用于低电流测量的隔离

保护是用通过与信号线同样电位的有源驱动导体包围着信号线，从而消除泄漏电流。只有使用三轴连接器和电缆才能实现良好的保护。在三轴电缆中，信号线先由保护线包围 (之间用绝缘材料隔离)，然后再由接地屏蔽线包围 (之间也用绝缘材料隔离)。下图是三轴电缆的剖面。

图 2.8 — 三轴电缆的剖面，示出屏蔽与保护及保护与信号间的寄生电容

即使电缆中存在寄生电容，通过信号与屏蔽的隔离，保护也能有效消除寄生电容的影响。下图显示驱动保护 (三轴) 输出的电路结构。

图 2.9 — 提供保护 (三轴) 输出的电路

保护线通过缓冲电路的有源驱动，与中心导体 ( 功率 ) 线保持同等的电位。显然，如果您把保护线与 force line 或屏蔽线短路，都有使输出电路受损的风险。

一个不可回避的问题是: 测量低电流为什么要使用三轴电缆? BNC 电缆也使用绝缘材料，因此我们为什么认为一定会出现泄漏电流呢? 一些简单的计算有助于说明超低电流测量为何需要三轴电缆。假定绝缘材料的电阻为 1 GΩ，我们在中心导体施加 100 V 电压:

图 2.10 — 使用 BNC 电缆 (同轴电缆) 时的泄漏电流

简单的计算示出泄漏电流将为:

显然，如果我们打算测量飞安 (10-15 A) 级的电流，就不能使用漏电流达100 nA 的电缆!

现在让我们看看使用三轴电缆的情况。此时我们假定驱动保护能保持对施加电压 (信号电压) 1 ppm 以内的跟踪 (这是合理和保守的假设):

图 2.11 — 使用三轴电缆时的泄漏电流

这种情况下，泄漏电流将是信号电压和保护电压的差除以有效电阻:

通过使用带有驱动保护的三轴电缆，我们把泄漏电流降到了 1fA，它只有使用 BNC 电缆时的 1/108! 这正是所有低电流参数测量都会采用三轴电缆的原因。

连接三轴电缆和 BNC 电缆

在连接 BNC 电缆和三轴电缆时，您面临着必须回答的三个关键问题:

1. 如何连接驱动保护?

2. 它如何影响我的低电流测量能力?

3. 从哪里获得必须的连接器?

我们将逐一说明您关心的这些问题。

在连接三轴电缆和 BNC 电缆时，最重要的是了解如何连接驱动保护。回想起驱动保护能用于亚纳安级电流的测量，因此作为经验法则，我们可以说对于 1 nA 以上的电流测量，只需要简单地把 force line/sense line 接到 BNC 电缆的中心导体上，把保护接到 BNC 电缆的外接地屏蔽，如下图所示。

图 2.12 — 进行非低电流测量 (1 nA 及以上电流) 时三轴电缆与 BNC 电缆的连接

这种配置的优点是简单。我们不需要采取使用驱动保护的任何特殊措施。

使用 BNC 电缆进行低电流 (低于 1 nA) 的唯一方法是如下图所示那样把驱动保护接到 BNC 电缆的外屏蔽上。

图 2.13 — 进行低电流测量时，三轴电缆与 BNC 电缆的连接

这种配置方式存在两项严峻的挑战:

1. BNC 的外屏蔽必须与地隔离。

2. BNC 的外屏蔽可能达到危险电压 (> 40 V)，因此必须采取预防措施确保使用者不会有致命的电击危险。

一些分析晶圆片探测器公司提供的现成解决方案能把 BNC 屏蔽与地隔离，从而防止产生这类问题。

您必须非常仔细地选择三轴至 BNC 适配器，确保了解上述两种适配器的使用方法。如果对连接器不甚了解，强烈建议您用万用表检查连接状况。您可以向是德科技公司，或向其它第三方供应商购买三轴至 BNC 连接器。

图 2.14 — 表格显示是德科技公司提供的各种类型三轴至 BNC 连接器

开尔文 (4 线) 测量

无需是导线还是电缆都不是完美的导体。您用于连接仪器与被测器件(DUT) 的一切都存在一定的固有电阻 (尽管电阻可能非常小)。重要的问题是: 何时需要考虑电缆的电阻? 接着的问题是: 如何消除电缆电阻对测量的影响?我们在本节中将回答这两个问题。

每一条电缆都可看作是一个电阻器。参数测试中使用的电缆或导线的电阻通常很小 (在毫欧量级)。显然，如果您所测量的测试结构的电阻比 0.1 Ω大几个数量级时，就可完全放心地忽略电缆电阻的影响。但在测量只有几欧姆电阻的结构时，电缆电阻引入的误差会严重影响您测量结果的准确性。

为消除电缆电阻的影响，我们必须去除流过电缆的电流所造成的电压降，而只测量与测试结构相关的电阻效应。为此可采用 4 线测量方法。这种技术要求在所测结构的每一个端子上有两条独立线。其中一对导线用于向 DUT 施加电流，另一对导线用于检测电压。这种测量方法的关键之处是把向 DUT 提供电流的导线与测量器件上电压降的导线分开。由于进行电压测量的 sense line 中没有电流流过，因此电缆电阻不会产生电压降，从而消除电缆的电阻效应。在英国著名数学家和物理学家开尔文勋爵 (本章开头引用了他的语录) 发明这项技术后，这种技术通常被称为开尔文测量。

图 2.15 — 开尔文电压测量 (或 4 线电压测量) 通过把提供电流与检测电压的导线分开而消除电缆电阻对测量的影响

图 2.16 — 开尔文三轴定位器 (如上) 的 force line 和 sense line 在 DUT 探盘处接在一起，因此能完全符合测量要求。

开尔文三轴电缆

是德科技公司可提供开尔文三轴电缆。一条开尔文三轴电缆能代替两条标准三轴电缆。开尔文三轴电缆的内部配置如下图所示:

图 2.17 — 开尔文三轴电缆把 force line 和 sense line 组合到一条电缆中

与使用两条标准三轴电缆相比，开尔文三轴电缆通常有更好的低噪声性能。此外，开尔文三轴电缆上的连接器也保证了 force line 和 sense line 的正确连接。注意: 如果您确认打算使用的设备 (晶圆片探测器，开关矩阵等) 支持这种连接器时，您就应订购这种电缆。

图 2.18 — 开尔文三轴电缆与 Keysight SMU 及许多分析晶圆片探测器板相适配

电气测量中的噪声

由于电子电荷的离散性，电子测量中的噪声是不可避免的。这短短的一节不可能完全覆盖参数测试中可能遇到的所有噪声类型，但我们将简要说明最常见的电噪声类型。

散射噪声

散射噪声是与电流相关的噪声。其来源是电流由电子的流动构成，而电子具有离散电荷这一事实。我们把电流值定义为每秒通过给定截面电子数的平均值。计算公式为:

• I = nq

其中 q 是电子电荷，n 是单位时间通过给定截面的平均电子数。真实电流 i (t) 与时间相关和围绕着平均值起伏，它取决于任何瞬间通过给定截面的实际电子数。因此散射噪声可表示为:

通过一些理想化的假设，我们可以证明散射噪声的谱密度函数只与电子电荷及平均电流值成正比:

该函数的最大特点为噪声谱在所有频率上是一个常数。这种与频率不相关的噪声谱类型被称为白噪声。当您测量 DUT 中非常小的信号，而同时又带有大得多的直流偏置电流时，散射噪声对参数参量有非常大的影响。

应指出上述结果只是一种近似。实际情况下很容易看到谱密度函数并非在所有频率上都能保持一个恒定值。如果我们要通过在所有频率上 (从 0 到无穷大) 对谱密度函数的积分得到均方电流，最终会得到无限大的值。这没有任何实际意义，因为实际电流不可能提供无限大的噪声功率。必然存在一个谱密度函数开始跌落的频率上限。但对于我们绝大多数感兴趣的参数测试，这一频率是如此之高，因此我们可以简单地假设散射噪声在整个频率范围保持不变。

热噪声

由于电子的随机热运动，没有任何电流流过的电阻器上也存在电压波动。这种热噪声 (也称约翰逊噪声) 是电压波动的结果，它的时间平均值为 0，谱密度函数由下面的公式表示:

公式中的 k 为玻尔兹曼常数，T 为开氏温度，R 为电阻。由于该谱密度函数与频率没有相关性，因此也具有白噪声形式。应指出在电阻器上观察到的实际噪声要高于按上述公式得到的预期值，因为其它的热过程 (如载流子的不断产生和重组) 会产生附加的电子热运动。上面的公式中有时也用“噪声温度”代入，噪声温度可能比电阻实际温度高出许多。

闪烁噪声或 1/f 噪声

许多半导体器件呈现出的噪声频率远远高于散射噪声或热噪声预期的低频。这种类型噪声的谱密度函数可用下面的公式表示:

在大多数情况下 n 非常接近 1。自然界中存在各种与 1/f 相关的噪声类型，许多学科领域都对此做了大量研究。在电子学中，1/f 噪声通常被称为闪烁噪声，直流电流的存在造成这一噪声。您可能也看到把 1/f 噪声称为粉红噪声，由此强调它的位置在白噪声 (没有频率相关性) 和红噪声或布朗噪声(具有 1/f2 频率相关性) 之间。

电源工频周期噪声

在参数测试中，电源工频噪声是最常见的共模噪声源之一。测量仪器使用的交流电源通常有 50 Hz 或 60 Hz (取决于国家标准) 频率，这一交流电流建立的强大电磁场会在被测量上叠加噪声。您可通过正确的屏蔽减轻电源工频噪声的影响; 但随着测量量程的下降，电源工频噪声的影响变得更为严重。在这种情况下，消除电源工频噪声的唯一有效方法是平均多个工频周期上的测量结果。几乎所有参数测量仪器都具有这种能力。请仔细阅读仪器的技术指标，可看到其最高测量分辨率要求在 16 个工频周期上积分。我们将进一步讨论电源工频周期的积分。

参考：

EasyEXPERT group+ 器件表征软件

B1500A 半导体器件参数分析仪/半导体表征系统主机

B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪

*是德科技的历史可以追溯到 1939 年，当时创始人比尔•休利特和戴维•帕卡德一起创立了最初的惠普（HP）公司。1999 年，惠普公司拆分，成立了安捷伦科技公司；2014 年，安捷伦科技公司再次拆分，独立出来的部门更名为现在的名称――是德科技（Keysight Technologies)。。