我們將低電流定義為小于10nA的電流。標(biāo)準(zhǔn)低電流測量應(yīng)用包括估計FET柵極漏電流、光電二極管電流、電容器漏電流、離子束電流、納米電子器件性能和光電倍增管輸出。對于這些測量，選擇最適合的測量儀器和測量方法對避免測量誤差至關(guān)重要。

我們可以將高阻測量定義為超過1GΩ電阻值的測量。這些應(yīng)用包括測量絕緣體電阻率；測試絕緣電阻；測試多芯電纜、連接器和印制電路板等裝置；測量高達(dá)MΩ級電阻值的電阻器。

確保最佳低電流和高電阻測量的關(guān)鍵在于：

* 選擇具有應(yīng)用所需電流靈敏度的儀器

* 選用合適的電纜和連接使失調(diào)最小

* 核查系統(tǒng)失調(diào)以確定噪底

* 確認(rèn)潛在誤差源使產(chǎn)生的有害電流最小

低電流測量儀器

如果應(yīng)用要求測量極低的電流，那么正確選擇測量儀器極為重要。大多數(shù)低電流直流測量采用靜電計、皮安表或源-測量單元(SMU)。靜電計是一種能測量低電流、高電阻、高輸入阻抗電壓及電荷的精密直流萬用表。皮安表是一種只測量低電流而且可以測量高電阻(如有內(nèi)建電壓源)的儀器。SMU可以提供電流和電壓源，還能測量電流與電壓。然而，并非所有SMU都具有低電流性能，所以要仔細(xì)檢查技術(shù)指標(biāo)。

數(shù)字萬用表(DMM)一般不適于測量極低電流，因為DMM的輸入失調(diào)電流過大、電流分辨率不夠高而且輸入壓降過大。

電流測量方法

測量電流的兩種基本方法是分流電流表法(幾乎所有DMM都采用，此方法的電流靈敏度有限)和反饋電流表法(靜電計、皮安表和SMU等儀器使用)。雖然理想電流表電阻為零，但所有實際電流表都存在內(nèi)阻。為了最小化負(fù)載誤差，電流表的內(nèi)部分流電阻應(yīng)比DUT電阻小很多。

圖2a舉例說明了一種分流電流表電路。這是一個基本電壓放大電路，其中分流電阻在輸入端，形成了電流表。輸入電流經(jīng)過此分流電阻后測量該電壓降并計算電流。輸出電壓Vout定義為：

使用反饋電流表電路(圖2b)的儀器中，輸入電流經(jīng)過反饋電阻器(RF)。放大器的低輸入偏置電流帶來的電流變化量可忽略不計。放大器輸出電壓用輸入電流與反饋電阻乘積的負(fù)值計算：

在這種情況下，輸出電壓能反映輸入電流的大小而且反饋電阻器決定了總靈敏度。高增益運算放大器實現(xiàn)了低壓降和對應(yīng)的快速上升時間，這迫使輸入電壓接近于零。

圖2：分流電流表電路(a)與反饋電流表電路(b)。

在衡量一臺儀器是否適于低電流應(yīng)用時，仔細(xì)查看準(zhǔn)確度指標(biāo)非常重要。然而，儀器data sheet可能采用不同格式來表示準(zhǔn)確度，這會使比較變得復(fù)雜。增益和失調(diào)誤差可以結(jié)合為百分?jǐn)?shù)表示的指標(biāo)以及一系列最低有效位計數(shù)表示的指標(biāo)。準(zhǔn)確度還能用百萬分率表示。

高阻測量法
雖然可通過源電流/測量電壓或者源電壓/測量電流的方法測量電阻值，但高阻測量建議采用源電壓/測量電流的方法?？梢允褂渺o電計(或皮安表)和電壓源(見圖3a)進(jìn)行高阻測量。某些帶有內(nèi)建電壓源的靜電計和皮安表能夠自動計算電阻值。

SMU還適于測量高電阻。在SMU內(nèi)部，電流表和電壓源采用串聯(lián)連接(見圖3b)。未知電阻連接在SMU的HI施加端子和LO施加端子之間。

圖3：通過靜電計(或皮安表)和電壓源(a)或通過SMU(b)的源電壓/測量電流方法測量高電阻。

用源電壓/測量電流法進(jìn)行高阻測量時，用戶必須考慮電壓源和電流表的準(zhǔn)確度，以及器件連接的完整性。從連接器經(jīng)過電纜進(jìn)入測試夾具的整個信號路徑都必須經(jīng)過優(yōu)化才能

保持信號劣化最小。

電纜和連接器

用于低電流和高電阻測量的兩種常見連接器類型是雙接頭的BNC連接器和三接頭的三同軸連接器。BNC連接器用于屏蔽層包裹單芯導(dǎo)體構(gòu)成的同軸電纜。在進(jìn)行高靈敏度測量時，屏蔽電纜具有最小化噪聲的重要作用。三同軸電纜配合SMU使用，因為第三根芯能實現(xiàn)防護(hù)測量。

測量高電阻時，應(yīng)當(dāng)選擇芯與芯之間絕緣電阻高的電纜。質(zhì)量好的三同軸電纜采用聚乙烯絕緣材料，而且一根芯專用于屏蔽約為1E12 Ω/ft的絕緣電阻。一定要核對廠家的指標(biāo)并確保電纜和連接器都能用于高阻抗測量。同軸電纜和三同軸電纜都有適于低電平測量的低噪聲版本。低噪聲電纜的內(nèi)部石墨涂層能讓失調(diào)最小。即便普通同軸電纜的漏電流和噪聲電流都高于低噪聲電纜，但在某些情況下普通同軸電纜(例如RG-58)就夠用了。

電纜電阻值、電容值和漏電流隨電纜長度增加而變化，所以盡可能讓所有連接電纜長度最短極為重要。用屏蔽電纜和測試夾具可以防靜電。測試光敏器件時，一定要使用遮光的測試夾具。

為避免測量誤差，將靜電計、SMU或皮安表正確連至DUT非常重要。一定要將儀表的高阻端子連至被測電路的最高阻抗點。

測量低電流測量系統(tǒng)的失調(diào)電流
建立一個用于測量非常小電流的系統(tǒng)的第一步是要確定整個測量系統(tǒng)的零點偏差和漏電流，這樣有助于確定整個系統(tǒng)的噪底極限，設(shè)定查找潛在問題的起點，并在必要時對系統(tǒng)作出改進(jìn)。有兩種類型的偏差必須要加以考慮：內(nèi)部偏差和外部偏差。內(nèi)部偏差包括電流計的輸入偏置電流，外部偏差包括由連接電纜、適配器、測試夾具和探針引起的偏差。

首先，確定電流計的輸入偏置電流值，這可以通過測量最小量程時的開路電流來確定。然后在電流計的輸入端放置一個金屬帽(這不是用作短路，而是用作噪聲屏蔽)，選擇最小電流量程，當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定后記下電流值(見圖4)。最后將這個電流值與儀器的指標(biāo)進(jìn)行比較。

圖4，源測量單元的輸入偏置電流與時間的關(guān)系。

測量完輸入偏置電流后，還需要驗證系統(tǒng)其余部分的偏差。通過逐個增加測試電路的附件并重復(fù)電流測量來重復(fù)偏差電流的測量。最終測量在測試電路中增加了所有電纜、連接器和測試夾具或探針臺后進(jìn)行，此時不應(yīng)連接設(shè)備。這個過程有助于判斷所有故障點，比如測量電路中的短接電纜。

測量誤差源
小電流高阻抗測量經(jīng)常會遇到各種誤差源，包括漏電流和穩(wěn)定時間。測量電路的穩(wěn)定時間(即在施加或改變電流或電壓后測量值達(dá)到穩(wěn)定的時間)尤其重要。所用的測量量程會影響到穩(wěn)定時間。通常電流量程越小，穩(wěn)定時間越長。由電纜和測試夾具帶來的并聯(lián)電容以及源阻抗也會改變穩(wěn)定時間——并聯(lián)電容和源阻抗越大，穩(wěn)定時間越長。

當(dāng)帶電物體接近待測電路時會產(chǎn)生靜電干擾。在低阻抗等級時，這種干擾的影響不太顯著，因為電荷會很快釋放掉。但高阻抗材料不允許電荷很快衰減，因此可能導(dǎo)致不穩(wěn)定、有噪聲的測量結(jié)果。

一般來說，靜電干擾是在測量電流小于1nA、測量電阻小于1GΩ時出現(xiàn)的問題(見圖5)。為了盡量減輕這個問題，待測電路應(yīng)該密封在靜電屏蔽罩內(nèi)。這個屏蔽罩可以是簡單的金屬盒，也可以是一種網(wǎng)格狀屏蔽盒，但需要將待測電路封閉在里面。將屏蔽罩連接到測試電路公共端，即電流計的LO端子。同時要確保所有帶電的物體和導(dǎo)體遠(yuǎn)離測試電路的敏感區(qū)域。

圖5：對100GΩ電阻的非屏蔽與屏蔽電流測量結(jié)果表明，非屏蔽系統(tǒng)中噪聲有顯著的增加。

漏電流是另外一個誤差來源。漏電流是一種給待測設(shè)備施加電壓后流經(jīng)測試電路絕緣體的誤差電流。一般當(dāng)待測設(shè)備的阻抗與測試電路的絕緣體阻抗相當(dāng)時這個問題就比較突出。以下建議有助于減小測試電路中的漏電流：
* 測試電路中使用高質(zhì)量的絕緣體，如特氟綸和聚乙烯。
* 盡量減小測試環(huán)境中的濕度。
* 盡量使用保護(hù)技術(shù)。保護(hù)點是電路中接近待保護(hù)高阻引線的相同電位的低阻抗點。使用保護(hù)技術(shù)來防止由于電纜或測試夾具引起的漏電流是很有必要的。使用三軸電纜可以幫助保護(hù)電路最大程度地減小漏電流，并取得更快的穩(wěn)定時間。保護(hù)電路會減少電纜的電容效應(yīng)，從而縮短電路的響應(yīng)時間。

各種誤差來源
實際應(yīng)用中有多種誤差來源，它們都會產(chǎn)生電流(見圖6)。例如因?qū)w與絕緣體之間摩擦產(chǎn)生的電荷引起的摩擦電流，原理是自由電子脫離導(dǎo)體形成電荷的不平衡從而導(dǎo)致電流的流動。這種噪聲電流在數(shù)十納安范圍內(nèi)。低噪聲電纜由于在外部屏蔽層底下使用了充滿石墨的絕緣物因而能夠極大地減弱這種效應(yīng)。然而，即使是低噪聲電纜在受到振動或與溫度有關(guān)的熱脹冷縮時也會產(chǎn)生一些噪聲。建議將電纜連接或系扎到墻體、工作臺或堅固結(jié)構(gòu)等非振動表面，并將它們與電機(jī)、泵和其它電機(jī)設(shè)備等振動源保持隔離。

圖6：電流產(chǎn)生現(xiàn)象。

當(dāng)絕緣端子和互連硬件使用某種晶體材料、而這些材料又受到機(jī)械應(yīng)力時就會產(chǎn)生壓電電流。為了盡量減小這些壓電效應(yīng)，建議盡量消除來自絕緣體的機(jī)械應(yīng)力，并選擇具有最小壓電效應(yīng)和存儲電荷的絕緣材料。

高濕或者人體油污、鹽、焊劑等帶來的離子污染會顯著減小測試夾具的絕緣電阻。濕氣或潮氣會與存在的任何污染物結(jié)合起來形成電氣化學(xué)效應(yīng)，并產(chǎn)生偏差電流。為了防止這方面的問題，建議選擇能夠防止吸收水份的絕緣體并保持中等的濕度(最好是小于50%)。所有元器件和測試夾具都要遠(yuǎn)離污染源。

待測設(shè)備的源電阻和源電容都會影響反饋式電流計的噪聲性能。當(dāng)源電阻減小時，電流計的噪聲增益會增加。表1列出了針對不同量程的反饋電流計的典型源電阻推薦值，但還是建議查閱特定電流計的參考手冊獲得推薦值。

表1：基于電流量程的源電阻推薦值。

待測設(shè)備的源電容將影響反饋電流計的噪聲性能：當(dāng)源電容增加時，噪聲增益也隨之增加。雖然最大源電容值存在極限，但通?？梢越o設(shè)備串聯(lián)一個電阻或正向二極管來測量電容的漏電流。

優(yōu)化小電流高阻抗測量應(yīng)用的精度很大程度上取決于：選擇能夠提供合適靈敏度的儀表，確保使用的所有電纜、連接器和測試夾具是專門針對高阻抗應(yīng)用設(shè)計的，盡量減少測試誤差源，在整合過程的每個階段驗證測試系統(tǒng)性能。