Keithley 6430 亞閾值電流測量技巧

場效應晶體管（FET）的亞閾值區是指柵極電壓低于閾值電壓，但器件仍然存在微弱導電電流的區域。亞閾值電流對低功耗電路設計、存儲器以及生物傳感器等應用至關重要。然而，由于亞閾值電流非常小（通常在皮安甚至飛安級別），測量難度極高。Keithley 6430 源表具有極低的電流測量分辨率和噪聲水平，是進行亞閾值電流測量的理想選擇。

Keithley 6430 簡介

Keithley 6430 是一款具有亞飛安分辨率的源表，能夠同時提供電壓源和電流測量功能。其主要特點包括：

超低的電流測量分辨率（10 aA）

電壓范圍：±200 V

電流范圍：±10 nA

內置電壓和電流源

具有多種測量模式和濾波功能

測量技巧

1. 儀器設置

   選擇合適的測量范圍： 根據預估的亞閾值電流范圍，選擇合適的電流測量量程。通常建議選擇略大于預期電流值的量程，以獲得最佳的測量精度。

   設置積分時間： 增加積分時間可以有效降低噪聲，但會犧牲測量速度。根據實際情況，選擇合適的積分時間，通常建議設置為 1 PLC（Power Line Cycle）或更長。

   啟用濾波功能： Keithley 6430 具有多種濾波功能，如移動平均濾波和中值濾波。啟用濾波功能可以進一步降低噪聲，提高測量穩定性。

   設置偏置電壓： 根據器件特性，設置合適的偏置電壓，以確保器件工作在亞閾值區。

2. 測試環境搭建

   屏蔽箱： 將測試系統置于屏蔽箱中，可以有效隔離外部電磁干擾，降低噪聲。

   低噪聲電纜： 使用低噪聲電纜連接 Keithley 6430 和被測器件，可以減少電纜引入的噪聲。

   三同軸連接： 采用三同軸連接方式，將 Keithley 6430 的保護端與被測器件的地連接，可以有效抑制漏電流和噪聲。

   溫度控制： 亞閾值電流對溫度非常敏感，保持測試環境溫度穩定可以提高測量精度。

3. 噪聲抑制

   接地： 確保測試系統良好接地，可以有效降低共模噪聲。

   電源濾波： 在 Keithley 6430 的電源線上加裝濾波器，可以抑制電源噪聲。

   數據平均： 對多次測量結果進行平均，可以降低隨機噪聲。

   校準和調零： 定期對 Keithley 6430 進行校準和調零，可以消除儀器本身的誤差。

4. 數據處理

   數據平滑： 對測量數據進行平滑處理，如 Savitzky-Golay 濾波，可以去除噪聲，提取有效信號。

   參數提取： 根據亞閾值電流的特性，提取關鍵參數，如亞閾值斜率（Subthreshold Swing），可以評估器件的性能。

   數據分析： 對測量數據進行分析，如繪制 Id-Vg 曲線，可以深入了解器件的特性。

案例分析

在測量 MOSFET 的亞閾值電流時，首先將器件置于屏蔽箱中，使用低噪聲電纜和三同軸連接。設置 Keithley 6430 的電流測量量程為 100 pA，積分時間為 10 PLC，啟用移動平均濾波。掃描柵極電壓，同時測量漏極電流。對測量數據進行平滑處理，并提取亞閾值斜率。通過分析 Id-Vg 曲線，可以評估 MOSFET 的亞閾值特性。

注意事項

在進行亞閾值電流測量時，需要特別注意靜電防護，避免靜電放電損壞器件。

在測量前，需要對 Keithley 6430 進行充分的預熱，以確保儀器穩定工作。

在測量過程中，需要避免震動和氣流，以減少噪聲。

使用 Keithley 6430 進行亞閾值電流測量需要綜合考慮儀器設置、測試環境搭建、噪聲抑制以及數據處理等多個方面。通過掌握這些技巧，可以獲得準確可靠的測量結果，為器件研究和電路設計提供有力支持。