一種基于Guard技術的皮安級電流校準方法

李 灝，鄭世棋，喬玉娥，丁立強，梁法國

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引 言

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

源表類儀器電流參數量值微小，為了減少泄漏電流等因素帶來的干擾，目前普遍采用Guard保護技術以保證測量準確度。以B1505A型半導體特性分析儀為例，在采用Guard保護技術基礎上，其SMU模塊電流源最低量程可以達到1 pA。該類型源表儀器電流輸出量值微小，且指標同標準電流測量儀器（如6430數字源表）接近，給電流參數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、高值電阻及高調節分辨率電壓源搭建系統，先后實現了20 pA～2 μA 和 1 pA～1 μA 量程范圍的電流校準，但該系統結構及操作過程比較復雜，對標準設備有較高的要求。喬玉娥等[4]提出了半導體特性分析儀電流參數的校準方案，重點對高值電阻的定標方法進行了闡述，該方案具有操作簡便、準確度高的優點。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提供了指導，但其主要是針對半導體特性分析儀進行的研究與應用，且未對Guard保護技術及小電流適配器的原理進行深入探討。

針對源表類儀器皮安級微小電流的校準需求，在取樣電阻法基礎上，重點分析了用Guard保護技術實現高源內阻電壓測量的原理，建立了高源內阻電壓提取模型，制作微小電流適配器，編寫自動校準程序，最終實現皮安級微小電流的有效校準，擴寬了能力范圍，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、指標較高，限于標準電流測量設備測量能力，電流的直接校準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]，以實現源表類儀器微小電流參數的校準。圖1為校準方案的示意圖，其中，被校源表作為電流源輸出電流Is，高源內阻R1為取樣電阻，電壓表用于對取樣電壓V進行測量，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。電流源經由高值電阻轉化為電壓后，該電壓便相當于一個具有極高內阻（高值電阻阻值）的電壓源，即標準電壓表要對高源內阻電壓進行測量。在進行高源內阻電壓測量時，電壓表不能再視為理想電壓表，其內阻的分流效應會給電壓測量帶來嚴重負載誤差。圖2為使用電壓表對高源內阻電壓進行測量的示意圖，電壓表被等效為一個理想電壓表與輸入電阻R2并聯的形式[9]。

圖1 取樣電阻法電流測量

圖2 高源內阻電壓測量

由于電壓表內輸入電阻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，該誤差為電壓表內阻帶來的負載誤差，大小為

該負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R2遠大于R1時，負載誤差可以忽略。而在皮安級微小電流校準過程中，所選用的取樣電阻阻值處于吉歐級別，最高需達到100 GΩ，電壓表輸入電阻不能滿足遠大于電壓源內阻的條件（如8508A型數字多用表對應量程輸入阻抗為10 GΩ以上），無法準確測得電阻兩端的電壓。因此，微小電流校準研究的重點，是解決高源內阻電壓的測量難題。

1.1 高源內阻電壓測量方法

1.1.1 利用源表 Guard 技術實現阻抗變換

源表類儀器進行電流輸出和測量時，受線纜絕緣程度、外界環境干擾等因素影響，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保護技術。該技術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”結構，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。

圖3 源表內部Guard保護電路結構

圖中，由于Guard端同HI端處于同一電位，因此Vs≈V0。因為Guard保護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阻電壓Vs轉換為近似相等的V0進行測量，實現從高內阻到低內阻的阻抗變換，為解決高源內阻電壓測量問題提供了可能性。

1.1.2 高源內阻電壓提取模型建立

為了進行高源內阻電壓的精確測量，在上述Vs≈V0的基礎上，還必須明確兩者之間準確的數學關系，建立高源內阻電壓精確提取模型。

經分析，Guard保護電路中的“×1緩沖單元”本質為一個運算放大器，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。

根據理想運算放大器的性質和電路理論，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。且假設在校準過程中，令接入的高值標準電阻為零，則VID=0，此時測得的VOD即為該輸出誤差，記為Verror。當再次接入高值電阻器，此時測得VOD記作V0。根據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，此外還包括導線連接、儀器零偏等帶來的干擾，可以一并進行消除。測試數據顯示，常值誤差一致性較好，符合理論分析及預期。

表1 電壓誤差測量數據

1.2 高源內阻電壓測量方法實現

為了快速、高效地完成校準回路搭建，并將被校源表儀器Guard端口引出，設計制作了低電流適配器。該適配器包含6個連接端口，校準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進入適配器后，通過J3、J4端口處接入的取樣電阻轉換為電壓，J5、J6端口將Guard端、LO端間的電壓引出進行測量。

圖5 微小電流校準電路連接示意圖

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

2 校準實驗

2.1 校準系統搭建

在明確了校準方案與原理基礎上，搭建微小電流參數校準系統。校準系統組成包括：標準電壓表、低電流適配器、標準電阻（含短路器）及相應的連接線纜。其中，標準電壓表選用FLUKE 8508A型號8位半數字多用表，標準電阻采用16353系列標準電阻，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值使用。

圖6為校準系統整體示意圖，被校源表選擇了6430型數字源表，該源表最低電流量程為1 pA，精度為±1%。校準實驗在恒溫恒濕的屏蔽間進行，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端電壓的準確量值關系，該常值誤差也將導線連接、儀器零偏等干擾因素考慮在內，可以一并消除；2）根據所校準的電流數值，選擇對應高值電阻接入校準回路中，阻值的選取原則是使取樣電壓數值盡量靠近電壓表基本量程，以保證測量準確度。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準電阻后轉換得到的真實電壓。此時利用標準電阻的上級校準值，可以計算得到被校電流的測量值：

2.2 自動校準軟件編寫

相比手動計量操作，自動化校準具有兩個突出優勢：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行電流校準時，系統對外界環境變化極為敏感，人員引起的空氣擾動以及操作中可能對系統造成的觸碰，都會對數據準確性造成影響；2）自動計量方式提高了效率，提升了校準方法的實際應用價值。

校準程序采用VBA語言進行編寫[12]，該語言繼承了VB平臺安全易用、擴展性強的特點，對Excel強大的數據管理、報表生成能力加以利用，在自動化測試與辦公領域具備突出優勢[13]。

圖6 微小電流校準系統示意圖

使用VisaCom IO庫實現程序通信功能，通過工控計算機對標準數字多用表和被校源表進行控制與數據讀取，物理連接采用儀器常見GPIB接口實現，基本的程序流程如圖7所示。

圖7 自動校準程序流程圖

操作過程中，操作人員只需正確填寫標準數字電壓表與被校源表的GPIB地址，并在對應功能寫入校準點對應的首末行值。按照程序提示完成系統搭建后，即可開始自動校準過程，程序將自動完成校準工作并形成證書。經測試，該軟件能夠很好地完成自動校準工作，且具備界面清晰、操作簡便、運行可靠穩定等優點。

3 實驗數據及分析

表2中給出了微小電流校準的實驗數據及處理結果。結果的不確定度評定過程中，不確定度來源主要從以下5個方面進行了考慮：數表8508A電壓測量誤差引入的不確定度分量、數表8508A電壓讀數分辨率引入的不確定度分量、16353系列標準電阻年穩定性引入的不確定度分量、標準電阻按上級校準值使用時引入的不確定度分量以及測量重復性引入的不確定度分量。不確定度評定結果滿足相關校準規定要求，系統具備對被校源表進行微小電流校準的能力。

表2 微小電流校準實驗數據

根據傳遞比較法要求，對校準結果及測量不確定度進行了驗證，判據如下所示：

其中y為本方案的校準結果，y0為上級給出的校準值，U為本方案校準結果的測量不確定度，Urel為其相對形式，U0為上級所給校準不確定度。表3中給出了驗證結果的相關信息。數據顯示，實驗校準結果同上級校準值一致性良好，本校準方案能夠實現1 pA～10 nA 范圍內具備 Guard 端的微小電流源的有效校準。

表3 實驗數據驗證結果

4 結束語

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