无源器件的电测量流程设计方案

无源器件的电测量流程设计方案

　　对宏观器件来说，例如一个电阻，室温下(270oK)的Johnson噪声电压可以表示为：

　　该公式显示，随着DUT电阻R的降低，DUT产生的Johnson电压噪声也随之降低。与此相反，由电压源激励的高阻抗器件则受到电流测量噪声的限制。在270oK时电阻的Johnson电流噪声为：

　　这个公式表明随着DUT电阻值的提高噪声值会降低。

　　对于所有尺寸的微粒来讲，除Johnson噪声之外，还可能存在与选择的测量拓扑结构有关的噪声增益。噪声增益指的是测量系统中噪声的寄生放大，如果选择正确的测量拓扑结构，这种噪声增益将不存在。例如，在一个电压源/测量电流的拓扑结构中，在很多电流测量电路(安培计)中都采用运算放大器，如图1所示。为了减小噪声增益，对于非反向输入端子，安培计电路必须在低增益条件下工作。

　　图1: (a)电压源/测量电流方法的电路模型。(b)在DUT阻抗值低于测量阻抗时，用改进的模型描述噪声增益。

　　源-测量仪器

　　商用的直流源-测量单元(SMU)是一种可用于纳米材料和器件测试的便利工具。SMU可以自动改变测量拓扑结构，例如可以在电压源/测量电流和电流源/测量电压之间迅速转换。这样可以在最大化测量速度和精度的同时很容易地降低测量噪声。

　　像前面提到的碳纳米管(CNT)那样，一些纳米微粒应用于不同外场时会改变状态。当进行此类材料的研究时，可以对SMU进行配置来提供电压源，并对处于高阻态的纳米粒子测量电流。如果材料处于低阻态，则转换到电流源/电压测量来获得更高的精度。此外，SMU还带有电流验证功能(compliance function)，可以自动限制DC电流，防止电流过大损坏待测器件或材料。类似地，当采用电流源时也有电压验证功能。

　　使用验证功能时，SMU可以输出满足要求的电流/电压源值，除非超过了用户的验证值。例如，当SMU设定在电压源状态，并预设了验证电流值，如果超过了这个验证值，SMU立即自动转换为恒流源，其输出值将稳定在验证电流值。类似地，如果SMU设定在电流源状态，并设定了一个验证电压，当DUT的阻抗和电流源开始使电压高于验证值时，SMU将自动转换到电压源(验证电压)状态。

　　像CNT开关之类的纳米级器件可以快速改变状态，而仪器的状态转换则并不能在瞬间完成。对于不同的SMU模式，开关时间在100ns到100μs之间。尽管对于跟踪纳米微粒的状态转换来说，这样的开关速度还不够快，但这么短的时间已经足够在每个状态下完成精确测量，同时将DUT的功率损耗限制在可接受水平。

　　低功率脉动技术

　　对于纳米级材料的测试来说，选择正确的测量拓扑结构来提高测量的速度和降低噪声依然不够。例如，某些CNT的开关速度是传统CMOS晶体管开关速度的1000倍。这对于纳安级的商用皮可安培计(picoammeter)来说太快了。这类器件的测量要求采用更高速的阻抗测量技术。

　　低功率脉动方法(pulsing technique)可以部分地解决这个问题，这种技术已经可以用在一些SMU设计上。这种概念是采用很高的测验电流或测验电压，在很短的周期中施加这种大激励。较大的激励可以降低源噪声(通过提高信噪比)，并且可以改善电压脉冲和电流脉冲信号的上升或稳定时间。低噪声的激励源需要较少的滤波处理，并允许更短的源激励周期时间(更窄的脉冲宽度)。较大的源激励可以提高响应电流或电压，这样可以有更宽的仪器选择范围，进一步降低噪声的影响。由于降低了噪声，可以缩短测量的采集时间，从而提高测量速度。

　　避免自发热问题

　　一个可能的误差源是过高的电流通过DUT时引起的自发热，这样的电流甚至可能引起采样的严重故障，因此在器件测验过程中仪器必须能自动限制电流源。可编程的电流和电压验证电路是大多数带有脉动电流功能、基于SMU测试系统的标准功能，某些低阻结构时应避免自发热。