一种基于Guard技术的皮安级电流校准方法

李 灏，郑世棋，乔玉娥，丁立强，梁法国

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引 言

数字源表、源-测单元（SMU）等源表类仪器将激励源与测量功能紧密结合，在测试过程中具备更高的灵活性，尤其在半导体器件特性检测方面有着较为突出的优势，被半导体生产、测试领域广泛采用，如LED器件的IV特性曲线、GaN器件最大饱和电流检测等[1]。输出电流准确与否直接影响测试数据准确性，进而对元器件的可靠性造成影响，因此，电流参数的有效校准尤为重要。

源表类仪器电流参数量值微小，为了减少泄漏电流等因素带来的干扰，目前普遍采用Guard保护技术以保证测量准确度。以B1505A型半导体特性分析仪为例，在采用Guard保护技术基础上，其SMU模块电流源最低量程可以达到1 pA。该类型源表仪器电流输出量值微小，且指标同标准电流测量仪器（如6430数字源表）接近，给电流参数计量工作的开展带来了困难。

徐迎春、刘冲等[2-3]使用指零仪、高值电阻及高调节分辨率电压源搭建系统，先后实现了20 pA～2 μA 和 1 pA～1 μA 量程范围的电流校准，但该系统结构及操作过程比较复杂，对标准设备有较高的要求。乔玉娥等[4]提出了半导体特性分析仪电流参数的校准方案，重点对高值电阻的定标方法进行了阐述，该方案具有操作简便、准确度高的优点。王一帮等[5]采用有源适配器的方法，较好地解决了不含Guard端口的直流电流源校准问题。在上述方案中，乔玉娥等人提出的方案为带有Guard端口的源表类仪器校准提供了指导，但其主要是针对半导体特性分析仪进行的研究与应用，且未对Guard保护技术及小电流适配器的原理进行深入探讨。

针对源表类仪器皮安级微小电流的校准需求，在取样电阻法基础上，重点分析了用Guard保护技术实现高源内阻电压测量的原理，建立了高源内阻电压提取模型，制作微小电流适配器，编写自动校准程序，最终实现皮安级微小电流的有效校准，扩宽了能力范围，提高了测量不确定度。

1 方法研究

源表类仪器输出的直流电流量值微小、指标较高，限于标准电流测量设备测量能力，电流的直接校准方法难以满足其计量需求[6]。为此，采取了基于欧姆定律的取样电阻法[7-8]，以实现源表类仪器微小电流参数的校准。图1为校准方案的示意图，其中，被校源表作为电流源输出电流Is，高源内阻R1为取样电阻，电压表用于对取样电压V进行测量，并利用欧姆定律计算得到被校电流量值。

取样电阻法方案中，由于被校电流量值微小，需选择高阻值电阻作为取样电阻。电流源经由高值电阻转化为电压后，该电压便相当于一个具有极高内阻（高值电阻阻值）的电压源，即标准电压表要对高源内阻电压进行测量。在进行高源内阻电压测量时，电压表不能再视为理想电压表，其内阻的分流效应会给电压测量带来严重负载误差。图2为使用电压表对高源内阻电压进行测量的示意图，电压表被等效为一个理想电压表与输入电阻R2并联的形式[9]。

图1 取样电阻法电流测量

图2 高源内阻电压测量

由于电压表内输入电阻R2的分流作用，通过取样电阻R1上的电流会减小为

此时，电压表测得的电压值V1为

理想取样电压值Vi同实际测量值V1之间存在误差ΔV，该误差为电压表内阻带来的负载误差，大小为

该负载误差占理想电压值的百分比为

由式（4）可知，取样电阻R1阻值相对于电压表输入阻抗R2越大，电压测量误差越大，当R2远大于R1时，负载误差可以忽略。而在皮安级微小电流校准过程中，所选用的取样电阻阻值处于吉欧级别，最高需达到100 GΩ，电压表输入电阻不能满足远大于电压源内阻的条件（如8508A型数字多用表对应量程输入阻抗为10 GΩ以上），无法准确测得电阻两端的电压。因此，微小电流校准研究的重点，是解决高源内阻电压的测量难题。

1.1 高源内阻电压测量方法

1.1.1 利用源表 Guard 技术实现阻抗变换

源表类仪器进行电流输出和测量时，受线缆绝缘程度、外界环境干扰等因素影响，回路的HI端与LO端间可能会存在电流泄漏。为减小泄漏电流干扰，高精度的源表类仪器广泛采用Guard保护技术。该技术的基本原理是在回路的HI和LO之间添加Guard层，并通过图3所示“×1缓存单元”结构，保证Guard与HI端处于同一电位，从而减弱甚至消除HI与LO之间的泄漏效应。

图3 源表内部Guard保护电路结构

图中，由于Guard端同HI端处于同一电位，因此Vs≈V0。因为Guard保护电路的电阻对电压表输入电阻来说很小（千欧量级），电压V0的测量不存在负载误差的问题。利用该原理，可以将无法精确测量得到高源内阻电压Vs转换为近似相等的V0进行测量，实现从高内阻到低内阻的阻抗变换，为解决高源内阻电压测量问题提供了可能性。

1.1.2 高源内阻电压提取模型建立

为了进行高源内阻电压的精确测量，在上述Vs≈V0的基础上，还必须明确两者之间准确的数学关系，建立高源内阻电压精确提取模型。

经分析，Guard保护电路中的“×1缓冲单元”本质为一个运算放大器，图4给出该单元的典型误差模型[10-11]。

在该误差模型中，引起电压误差的主要原因有以下6项：输入失调电压VIO；输入偏置电流IIB-、IIB+；输入输出共模电压失配（VOCM-VICM）；共模抑制比（CMRR）；电源抑制比（PSRR）；电阻失配。

根据理想运算放大器的性质和电路理论，可得到运算放大器电压输出为

图4 “×1缓冲单元”典型误差模型

由式（5）分析可知，“×1缓冲单元”输出误差部分为一常数。且假设在校准过程中，令接入的高值标准电阻为零，则VID=0，此时测得的VOD即为该输出误差，记为Verror。当再次接入高值电阻器，此时测得VOD记作V0。根据线性电路的叠加原理，直流电流低电流适配器输出的实际电压为V0-Verror。

即高源内阻电压最终模型为

通过该模型可知，Vs同V0之间存在一常值误差Verror，该误差可以在实际校准过程中，通过在回路中接入短路器的方式予以明确。

表1为在各电流校准点，接入短路器情况下测得的电压误差，该电压主要包括误差模型分析得到的常值误差Verror，此外还包括导线连接、仪器零偏等带来的干扰，可以一并进行消除。测试数据显示，常值误差一致性较好，符合理论分析及预期。

表1 电压误差测量数据

1.2 高源内阻电压测量方法实现

为了快速、高效地完成校准回路搭建，并将被校源表仪器Guard端口引出，设计制作了低电流适配器。该适配器包含6个连接端口，校准过程中的电路连接如图5所示。源表（以6430为例）信号端口输出的电流信号从J1进入适配器后，通过J3、J4端口处接入的取样电阻转换为电压，J5、J6端口将Guard端、LO端间的电压引出进行测量。

图5 微小电流校准电路连接示意图

为减少引线带来的干扰，增强校准系统稳定性，适配器同被校仪器、取样电阻的连接均设计为无线缆的直插方式。适配器外壳为双层屏蔽金属结构，能够在较大程度上隔离空间电磁干扰。适配器一体化的设计，也简化了测试回路组建流程，有助于提高计量工作效率。

2 校准实验

2.1 校准系统搭建

在明确了校准方案与原理基础上，搭建微小电流参数校准系统。校准系统组成包括：标准电压表、低电流适配器、标准电阻（含短路器）及相应的连接线缆。其中，标准电压表选用FLUKE 8508A型号8位半数字多用表，标准电阻采用16353系列标准电阻，型号包括16353F～16353H，阻值分别为1～100 GΩ，在实际使用过程中按照上级校准值使用。

图6为校准系统整体示意图，被校源表选择了6430型数字源表，该源表最低电流量程为1 pA，精度为±1%。校准实验在恒温恒湿的屏蔽间进行，分为两个步骤：1）使用短路器确定常值误差Verror，即建立电流输出信号中Guard端口同HI端电压的准确量值关系，该常值误差也将导线连接、仪器零偏等干扰因素考虑在内，可以一并消除；2）根据所校准的电流数值，选择对应高值电阻接入校准回路中，阻值的选取原则是使取样电压数值尽量靠近电压表基本量程，以保证测量准确度。记录下此时电压表显示的电压值V0后，V0-Verror即为被校电流通过标准电阻后转换得到的真实电压。此时利用标准电阻的上级校准值，可以计算得到被校电流的测量值：

2.2 自动校准软件编写

相比手动计量操作，自动化校准具有两个突出优势：1）减少了操作人员对测量的干扰，尤其是在利用高值电阻进行电流校准时，系统对外界环境变化极为敏感，人员引起的空气扰动以及操作中可能对系统造成的触碰，都会对数据准确性造成影响；2）自动计量方式提高了效率，提升了校准方法的实际应用价值。

校准程序采用VBA语言进行编写[12]，该语言继承了VB平台安全易用、扩展性强的特点，对Excel强大的数据管理、报表生成能力加以利用，在自动化测试与办公领域具备突出优势[13]。

图6 微小电流校准系统示意图

使用VisaCom IO库实现程序通信功能，通过工控计算机对标准数字多用表和被校源表进行控制与数据读取，物理连接采用仪器常见GPIB接口实现，基本的程序流程如图7所示。

图7 自动校准程序流程图

操作过程中，操作人员只需正确填写标准数字电压表与被校源表的GPIB地址，并在对应功能写入校准点对应的首末行值。按照程序提示完成系统搭建后，即可开始自动校准过程，程序将自动完成校准工作并形成证书。经测试，该软件能够很好地完成自动校准工作，且具备界面清晰、操作简便、运行可靠稳定等优点。

3 实验数据及分析

表2中给出了微小电流校准的实验数据及处理结果。结果的不确定度评定过程中，不确定度来源主要从以下5个方面进行了考虑：数表8508A电压测量误差引入的不确定度分量、数表8508A电压读数分辨率引入的不确定度分量、16353系列标准电阻年稳定性引入的不确定度分量、标准电阻按上级校准值使用时引入的不确定度分量以及测量重复性引入的不确定度分量。不确定度评定结果满足相关校准规定要求，系统具备对被校源表进行微小电流校准的能力。

表2 微小电流校准实验数据

根据传递比较法要求，对校准结果及测量不确定度进行了验证，判据如下所示：

其中y为本方案的校准结果，y0为上级给出的校准值，U为本方案校准结果的测量不确定度，Urel为其相对形式，U0为上级所给校准不确定度。表3中给出了验证结果的相关信息。数据显示，实验校准结果同上级校准值一致性良好，本校准方案能够实现1 pA～10 nA 范围内具备 Guard 端的微小电流源的有效校准。

表3 实验数据验证结果

4 结束语

针对具有Guard端口源表类仪器微小电流校准难题，研究了可行的校准方案与适配器，实现了皮安级微小电流校准，1 pA点测量相对不确定度可达0.29%。根据传递比较法的相关要求，与上级计量机构出具的校准结果进行了比较，证明了本方法测量结果及不确定度评定有效合理。通过校准方法研究、校准装置搭建以及校准程序编写，对具备Guard端的源表类仪器（如Keithley 4200半导体参数测试系统、2400/2600系列源表等）皮安量级微小电流参数实现了有效的校准，准确度高、操作便捷，具有较好的实际应用价值。