Keithley 6430 亚阈值电流测量技巧

摘要：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

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。