Optimale Messung sehr kleiner Ströme
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36 M ES S - U ND PRÜ FTECHNI K SOURCE-MEASURE-UNITS www.polyscope.ch Präzisionselektrometer oder SMU für anspruchsvolle Herausforderungen Optimale Messung sehr kleiner Ströme Die Fortschritte bei mobilen Elektronikgeräten, Halbleitern und in der Nanotechnologie erfordern immer häufiger eine Messung kleiner Ströme. Source-Measure-Units (SMU) werden für derartige Messungen immer beliebter, da sie Präzisionsstrom- und Spannungsquellen mit hochempfindlichen Messfunktionen kombinieren. » Jonathan L. Tucker lung lässt sich manchmal dieses Rauschen reduzieren, allerdings erhöht dies die Kosten und die Komplexität der Messung. Zwar kann die Rauschbandbreite durch Filter reduziert werden, dies verlangsamt aber die Messung merklich. Durch eine Vergrösserung des DUTQuellenwiderstands lässt sich das JohnsonStromrauschen ebenfalls vermindern, aber diese Möglichkeit ist normalerweise nicht umsetzbar. Minimierung von Störungen Eine Source-Measure-Unit (SMU) kombiniert Strom- und Spannungsquellen mit Messschaltungen für Strommessung und Spannung SMUs kombinieren Präzisionsstrom- und Spannungsquellen mit hochempfindlichen Messfunktionen und ermöglichen eine gleichzeitige Einspeisung und Messung von Strom und Spannung. Die hohe Flexibilität und die problemlose Programmierung von SMUs vereinfachen zudem den Einsatz in automatischen Testsystemen (ATE). Die Strommess- empfindlichkeit eines Instrumentes wird hauptsächlich durch Störungen begrenzt. Der kleinste mit einem Instrument noch messbare Strom ist auch vom Testobjekt (DUT) abhängig, da sein Quellenwiderstand (RS) durch die thermische Bewegung der Elektronen ein thermisches Rauschen (Johnson-Rauschen) (IJ) erzeugt. Mithilfe einer kryogenen Küh- Zusätzliche Stromquellen können eine Messung kleiner Ströme ebenfalls komplizierter machen. Zum Beispiel können die verwendeten Koaxialkabel Ströme von mehreren zig Nanoampere aufgrund triboelektrischer Effekte generieren. Diese treten auf, wenn ein Kabel gebogen wird und seine äussere Abschirmung gegen die Isolierung reibt. Die aus der Isolierung herausgelösten Elektronen überlagern sich mit dem zu messenden Strom. In Anwendungsbereichen wie der Nanotechnologie und der Halbleiterforschung kann dieser generierte Strom grösser sein als der vom DUT zu messende Strom. Um den triboelektrischen Effekt zu minimieren, sollten störungsarme Kabel mit einem inneren Isolator aus Grafit-beschichtetem Polyäthylen unter der äusseren Abschirmung genutzt, die Längen der Testkabel möglichst kurz gehalten, der Testaufbau schwingungsgedämpft gelagert und die Kabel auf eine feste Oberfläche zur Vermeidung von Bewegungen aufgeklebt werden. Weitere Fehlerquellen bei der Messung kleiner Ströme Der piezoelektrische Effekt erzeugt Strom aus mechanischer Beanspruchung anfälliPolyscope 7/11 SOURCE-MEASURE-UNITS ger Materialien und ist damit eine weitere Fehlerquelle bei der Messung sehr kleiner Ströme. Einige üblicherweise als Dielektrika verwendete Materialien wie Polytetrafluoräthylen (PTFE) können einen relativ hohen Strom bei Beanspruchung und Schwingungen erzeugen. Um piezoelektrische Effekte zu reduzieren, sollte mechanischer Stress bei Isolatoren vermieden und Isolierstoffe mit minimalen piezoelektrischen Eigenschaften, wie Keramiken, sollten ausgewählt werden. Dielektrische Absorption tritt auf, wenn eine ausreichend hohe Spannung über einem Isolator zur Polarisierung von positiven und negativen Ladungen führt. Dies kann ebenfalls die Messgenauigkeit verschlechtern. Wenn die Spannung über dem Isolator abgeschaltet wird, kommt es durch die getrennten Ladungen zu einem abklingenden Strom, der den zu messenden Strom überlagert. Die Zeit, bis dieser Strom vollständig abgeklungen ist, kann von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden reichen. Um die Auswirkungen der dielektrischen Absorption zu minimieren, sollten bei der Messung kleiner Ströme nur kleine Spannungen an den verwendeten Isolatoren anliegen. Auch Verunreinigungen durch Salz, Feuchtigkeit, Öl, überschüssige Lote oder sogar durch Fingerabdrücke auf der Oberfläche von Isolatoren oder der Leiterplatte können Probleme verursachen. An einem Schaltungsknoten mit kleinen Strömen kann eine Verunreinigung auf einem Isolator eine Art Batterie bilden, die einen Störstrom von einigen Nanoampere erzeugt. Um Verunreinigung zu verhindern, sollten bei Arbeiten mit Isolatoren Handschuhe getragen oder diese am besten gar nicht berührt werden. Der Einsatz von Lot sollte minimiert und gelötete Bereiche mit einem entsprechenden Lösungsmittel, wie Isopropyl-Alkohol, gereinigt werden. Die Reinigung sollte mit einem sauberen Wattestäbchen erfolgen, das nach dem Abwischen nicht wieder in das Lösungsmittel eingetaucht werden darf. Autor Jonathan L. Tucker Senior Marketer Research and Education Business Keithley Instruments, Inc. Polyscope 7/11 MESS- UND PRÜFTECHNIK Zwei SMU-Kanäle reichen, um mittels Rampen die I-U-Charakteristik von FETs und anderen Halbleiterbauteilen zu messen Ein Magnetfeld mit veränderlicher Intensität kann einen Strom in nahe gelegene Leiter induzieren, ebenso die Bewegung eines Leiters innerhalb eines Magnetfeldes. Um falsche Messwerte zu vermeiden, sollten das Messinstrument oder das System gegen Magnetfelder abgeschirmt sein. Praktische Beispiele für die Messung Zu den praktischen Beispielen für die Messung kleiner Ströme gehören die Charakterisierung von Feldeffekt-Transistoren (FET) und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT). Ein gängiger FET-Test ist die Untersuchung der Bauteil-Kennlinie. Selbst sehr kleine DrainStröme lassen sich mithilfe eines einfachen Testaufbaus mit zwei SMU-Kanälen untersuchen. In diesem Beispiel wird ein zweikanaliges System-SourceMeter-Instrument der Serie 2600 A von Keithley verwendet, da diese Instrumente gleichzeitig einen Strom und eine Spannung einspeisen und messen können. Um den FET zu charakterisieren, wird er in einem Testadapter eingesetzt, der sichere Masse- und Vorspannungsverbindungen gewährleistet. Einer der SMUKanäle liefert dem FET eine veränderliche Gate-Source-Spannung (VGS), während der andere Kanal eine veränderliche DrainSource-Spannung (VDS) liefert, gleichzeitig wird der Drain-Strom (ID) des Bauteils gemessen. Dieser einfache Testaufbau erlaubt Tests mit Drain-Strömen von weniger als 10 nA. Materialien wie Fotovoltaik-Wafer und CNT-Sheets werden normalerweise im Hinblick auf ihre Stromdichte charakterisiert – wie viel Strom können sie pro Materialfläche generieren. Forscher der Seoul National University haben zum Beispiel mit einem Elektrometer von Keithley mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren-Bauteile (MWNT) untersucht, die durch eine Lichtbogenent- SMU sind ideale Tools zur Untersuchung der I-U-Charakteristik von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ladung auf einem CNT-Substrat hergestellt wurden. Bei einem angelegten elektrischen Feld von 5 V/µm und weniger wurde eine Stromdichte von nur 10 –4 /cm 2 gemessen. Eine praktische Analyse der I-U-Charakteristik von CNT-basierter Elektronik lässt sich wie bei einem FET mithilfe von zwei SMU durchführen, indem die Drain- und Gate-Spannungen verändert werden und gleichzeitig der Drain-Strom als eine Funktion der Gate-Spannung gemessen und aufgezeichnet wird. Die erforderliche Auflösung und Genauigkeit bei der Messung kleiner Ströme bestimmt normalerweise den Instrumententyp. Ist die Genauigkeit weniger wichtig, dann sollte ein normales DMM ausreichen. Bei anspruchsvolleren Anforderungen wird dagegen ein Präzisionselektrometer oder SMU benötigt. Die SMU-Modelle 2635A und 2636A von Keithley wurden zum Beispiel für eine Messauflösung bis 1 fA optimiert. « Infoservice Keithley Instruments GmbH Postfach 432, 8024 Zürich Tel. 044 821 94 44, Fax 044 820 30 81 [email protected], www.keithley.ch 37
