
把源表(SMU)的线接到探针台上,看起来是件简单的事:一根 Force、一根 Sense,接上就能测。但当你要测的是 pA 级电流、或者需要分辨几毫欧的接触电阻时,接线方式就直接决定了数据能不能用。
本文按"接法 → 屏蔽 → 接头 → 降噪"的顺序讲。
| 方式 | 接法 | 优点 | 误差来源 | 适用 |
|---|---|---|---|---|
| 两线法 | Force 与 Sense 共用一对线 | 最简单 | 引线电阻、接触电阻全部计入 | 阻值较大(≥kΩ)、精度要求不高 |
| 开尔文四线法 | Force 一对、Sense 一对,独立走线 | 消除引线/接触电阻影响 | 需要四根探针或特殊夹具 | 低阻、接触电阻不可忽略、精确提取参数 |
探针到焊盘的接触电阻可能达几欧姆到几十欧姆,如果被测半导体器件本身的阻值只有几十欧姆,两线法测到的基本就是接触电阻而不是器件。
四线法下:因为 Sense 端输入阻抗极高、几乎无电流,其上压降可忽略,源表测到的电压就是器件两端的真实电压。
当电流小到 nA 甚至 pA 级时,任何一条悬空的金属走线都成了天线。这时需要两个概念:
用金属层把信号线包起来,并接到低阻抗参考点(通常是源表的 LO 端或机壳地),把外部电场干扰引走。
比屏蔽更进一步:用一个与被测信号等电位的导体包围信号线。因为两者电位相同,它们之间没有电位差,也就不会产生漏电流。
| 概念 | 接法 | 解决什么 |
|---|---|---|
| 屏蔽 Shield | 接机壳地/LO | 外部电场耦合噪声 |
| 保护 Guard | 接与 HI 等电位的驱动端 | 线缆与针间的漏电流 |
关键区别:Guard 必须"活着"——跟随信号电位;Shield 是"死的"——固定接参考。测 fA 级(飞安)电流时必须用三同轴电缆,其内层是信号、中间层是 Guard、外层是 Shield。
| 接头 | 屏蔽层次 | 适用电流量级 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 香蕉头/裸线 | 无屏蔽 | mA 以上 | 仅适合粗略测试 |
| BNC | 单层屏蔽 | μA 级以上 | 常用,成本低 |
| 三同轴(Triax) | Shield + Guard | nA 到 fA 级 | 微弱电流测量必备 |
| SMA | 特性阻抗 50 Ω | 高频/RF | 需要考虑阻抗匹配 |
一个很实用的判断标准:测 1 μA 以下就应该考虑三同轴;到 nA 级以下不用三同轴几乎不可能得到干净数据。
当多台设备通过不同路径都接地时,各接地点之间存在电位差,这个电位差会在信号回路里形成环路电流,表现为 50 Hz 工频及其谐波干扰。
很多 SMU 支持浮地(float/ground 选择)。被测器件为浮置状态时,可以用浮地模式减少地环路。但要弄清楚整个系统的参考电位在哪。
| 措施 | 作用 | 实现 |
|---|---|---|
| 暗箱/屏蔽盒 | 屏蔽光与电磁干扰 | 金属箱罩住探针区,接地 |
| 导电泡棉/导电胶带 | 盒体缝隙的电磁密封 | 贴在箱盖接缝处 |
| 静置(soaking) | 消除介电吸收与线缆电荷 | 施加电压后等待再读数 |
| 降低积分时间(NPLC 提高) | 抑制工频干扰 | 设为 1 PLC 以上(对应 20 ms 的整数倍) |
| 多点平均/中位数 | 抑制随机噪声 | 软件端设置 |
| 避免振动 | 压电/摩擦生电 | 线缆固定、减振台 |
有一类容易被误判的现象:线缆被晃动时读数跳动。这是线缆绝缘层与导体摩擦产生的电荷(triboelectric effect),不是设备坏。把线缆固定住、选用低噪声电缆即可明显改善。
| 现象 | 可能原因 | 处理 |
|---|---|---|
| 开路状态仍有电流读数 | 线缆漏电、受潮 | 烘干线缆、更换三同轴 |
| 读数有周期性波动 | 工频干扰/地环路 | 单点接地、提高积分时间 |
| 数据随时间单向漂移 | 介电吸收未稳定 | 延长静置后再读数 |
| 碰一下桌子读数跳 | 线缆摩擦起电 | 固定线缆 |
| I-V 曲线不对称/畸变 | 接触形成二极管效应 | 重新扎针、换针 |
| 低阻测出来偏大很多 | 用了两线法 | 改四线(开尔文)接法 |
当需要在施加电压的同时精确测量电流(或反之)、且要求两者之间有严格的时间同步与保护逻辑时,就应该用 SMU。普通电源加万用表在做 I-V 曲线扫描时效率低、容易过流损坏样品,也很难测准微小电流。
不是。四线法消除的是引线和探针本身的电阻,但如果接触点形成的不是纯电阻(比如存在肖特基势垒),或者两探针之间有并联的漏电路径,四线法也无能为力。接触质量始终是第一位的。
不能直接互换,需要转接头。而且用三同轴转 BNC 之后,Guard 层的作用就丢失了,等于退化成普通 BNC 的性能——整个链路应以最弱的一环为准。