Keithley 6430 亚阈值电流测量技巧
引言
场效应晶体管（FET）的亚阈值区是指栅极电压低于阈值电压，但器件仍然存在微弱导电电流的区域。亚阈值电流对低功耗电路设计、存储器以及生物传感器等应用至关重要。然而，由于亚阈值电流非常小（通常在皮安甚至飞安级别），测量难度极高。Keithley 6430 源表具有极低的电流测量分辨率和噪声水平，是进行亚阈值电流测量的理想选择。
Keithley 6430 简介
Keithley 6430 是一款具有亚飞安分辨率的源表，能够同时提供电压源和电流测量功能。其主要特点包括：
超低的电流测量分辨率（10 aA）
电压范围：±200 V
电流范围：±10 nA
内置电压和电流源
具有多种测量模式和滤波功能
测量技巧
- 仪器设置
选择合适的测量范围： 根据预估的亚阈值电流范围，选择合适的电流测量量程。通常建议选择略大于预期电流值的量程，以获得最佳的测量精度。
设置积分时间： 增加积分时间可以有效降低噪声，但会牺牲测量速度。根据实际情况，选择合适的积分时间，通常建议设置为 1 PLC（Power Line Cycle）或更长。
启用滤波功能： Keithley 6430 具有多种滤波功能，如移动平均滤波和中值滤波。启用滤波功能可以进一步降低噪声，提高测量稳定性。
设置偏置电压： 根据器件特性，设置合适的偏置电压，以确保器件工作在亚阈值区。 - 测试环境搭建
屏蔽箱： 将测试系统置于屏蔽箱中，可以有效隔离外部电磁干扰，降低噪声。
低噪声电缆： 使用低噪声电缆连接 Keithley 6430 和被测器件，可以减少电缆引入的噪声。
三同轴连接： 采用三同轴连接方式，将 Keithley 6430 的保护端与被测器件的地连接，可以有效抑制漏电流和噪声。
温度控制： 亚阈值电流对温度非常敏感，保持测试环境温度稳定可以提高测量精度。 - 噪声抑制
接地： 确保测试系统良好接地，可以有效降低共模噪声。
电源滤波： 在 Keithley 6430 的电源线上加装滤波器，可以抑制电源噪声。
数据平均： 对多次测量结果进行平均，可以降低随机噪声。
校准和调零： 定期对 Keithley 6430 进行校准和调零，可以消除仪器本身的误差。 - 数据处理
数据平滑： 对测量数据进行平滑处理，如 Savitzky-Golay 滤波，可以去除噪声，提取有效信号。
参数提取： 根据亚阈值电流的特性，提取关键参数，如亚阈值斜率（Subthreshold Swing），可以评估器件的性能。
数据分析： 对测量数据进行分析，如绘制 Id-Vg 曲线，可以深入了解器件的特性。
案例分析
在测量 MOSFET 的亚阈值电流时，首先将器件置于屏蔽箱中，使用低噪声电缆和三同轴连接。设置 Keithley 6430 的电流测量量程为 100 pA，积分时间为 10 PLC，启用移动平均滤波。扫描栅极电压，同时测量漏极电流。对测量数据进行平滑处理，并提取亚阈值斜率。通过分析 Id-Vg 曲线，可以评估 MOSFET 的亚阈值特性。
注意事项
在进行亚阈值电流测量时，需要特别注意静电防护，避免静电放电损坏器件。
在测量前，需要对 Keithley 6430 进行充分的预热，以确保仪器稳定工作。
在测量过程中，需要避免震动和气流，以减少噪声。
使用 Keithley 6430 进行亚阈值电流测量需要综合考虑仪器设置、测试环境搭建、噪声抑制以及数据处理等多个方面。通过掌握这些技巧，可以获得准确可靠的测量结果，为器件研究和电路设计提供有力支持。