泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪聲電流源

6220 型直流電流源和 6221 型交流和直流電流源將易用性與極低的電流噪聲相結(jié)合。 在測(cè)試環(huán)境中，從研發(fā)到生產(chǎn)，尤其是在半導(dǎo)體、納米技術(shù)和超導(dǎo)體行業(yè)，低電流源對(duì)于應(yīng)用至關(guān)重要。 6220 型和 6221 型具有高精度源和內(nèi)置控制功能，非常適合使用增量模式、脈沖測(cè)量和微分電導(dǎo)測(cè)量的霍爾測(cè)量、電阻測(cè)量等應(yīng)用。

6220直流電流源和6221交流/直流電流源是非常易于使用的超低電流噪聲電流 源。低電流的產(chǎn)生在從許多研發(fā)到生產(chǎn)，尤其是在半導(dǎo)體、納米技術(shù)和超導(dǎo)行業(yè)方 面的測(cè)試環(huán)境應(yīng)用非常重要。高準(zhǔn)確度的源和內(nèi)建控制功能使6220和6221成為霍爾 測(cè)量、使用delta模式的電阻測(cè)量、脈沖測(cè)量和微分電導(dǎo)測(cè)量等應(yīng)用的理想選擇。

6220和6221的特點(diǎn):

• 源和阱（可編程負(fù)載）100fA～ 100mA

• 1014Ω輸出阻抗確保能為各種負(fù) 載提供穩(wěn)定的電流源

• 65000點(diǎn)源存儲(chǔ)容量允許直接從 電流源執(zhí)行全面測(cè)試電流掃描

• 內(nèi)建RS-232、GPIB、觸發(fā)鏈路和 數(shù)字I/O接口

• 可重配置三同軸輸出，便于帶防 護(hù)功能的應(yīng)用需求

• 220型仿真模式無(wú)需對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用 重新編程

6221獨(dú)有特點(diǎn):

• 4pA～210mA峰峰值交流電流源， 用于元件和材料的交流特性分 析。6221的10MHz輸出更新速率 能夠產(chǎn)生100kHz的光滑正弦波

• 內(nèi)建1mHz～100kHz頻率范圍的標(biāo) 準(zhǔn)波形和任意波形。應(yīng)用領(lǐng)域包 括復(fù)雜可編程負(fù)載或傳感器信號(hào) 以及噪聲仿真

• 短至5μs的可編程脈寬，能夠 限制專用元件的功耗。當(dāng)配合 2182A納伏表使用時(shí)，能測(cè)量最 窄50μs的脈沖I-V

• 內(nèi)置以太網(wǎng)接口，無(wú)需GPIB控制 卡即可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

?

• 納米技術(shù)
  -微分電導(dǎo)
  -脈沖式信號(hào)源與電阻

• 光電應(yīng)用
  -脈沖式I-V

• 替換交流電阻橋（當(dāng)結(jié)合2182A使用時(shí)）
  -低功率電阻測(cè)量

• 替換鎖定放大器（當(dāng)結(jié)合2182A使用時(shí)）
  -低噪聲電阻測(cè)量

對(duì)精密、低電流源的需求。對(duì)當(dāng)今小型和高功率效率電子器件的測(cè)試和特性分 析需要輸出低電平電流，這需要采用精密的低電流源。較低的激勵(lì)電流在器件兩端 產(chǎn)生較低（因而更難測(cè)量）的電壓。將6220或6221與2182A納伏表組合可以妥善地處 理這兩方面的挑戰(zhàn)。

交流電流源和電流源波形發(fā)生器。6221是市面上唯——款低電流交流電流源。 在推出6221之前，研究人員和工程師不得不自己搭建交流電流源。這款經(jīng)濟(jì)有效的 源在準(zhǔn)確度、一致性、可靠性和魯棒性方面比“自制”方案更好。6221也是唯一市面 有售的電流源波形發(fā)生器，它能極大地簡(jiǎn)化創(chuàng)建和輸出復(fù)雜波形。

編程簡(jiǎn)單。這兩款電流源可以從前面板控件或從外部控制器通過(guò)RS-232或 GPIB接口進(jìn)行完全編程；6221還具有以太網(wǎng)接口，可以通過(guò)任何以太網(wǎng)連接進(jìn)行遠(yuǎn) 程控制。這兩款儀器能輸出100fA～105mA的直 流電流；6221還能輸出4pA～210mA峰峰值的 交流電流。這兩款電流源能以10mV步長(zhǎng)設(shè)置 0.1V～105V的輸出電壓。最大電壓（電流源輸出 電流時(shí)能達(dá)到的電壓極限）的重要性在于應(yīng)用 中過(guò)壓可能損壞被測(cè)器件（DUT）。

直接替換220型電流源。6220和6221構(gòu)建在 吉時(shí)利很受歡迎的220型可編程電流源之上； 在現(xiàn)有應(yīng)用中，用6220/6221替換220型就能很 容易地實(shí)現(xiàn)220型的仿真模式，無(wú)需重寫控制 代碼。

容易設(shè)定和執(zhí)行電流掃描。6220和6221都 提供設(shè)定電流斜波的工具，并且通過(guò)使用觸發(fā) 器或定時(shí)器以步進(jìn)式輸出多達(dá)65,536種輸出值 的預(yù)定義序列。這兩款電流源都支持線性、對(duì) 數(shù)和自定義方式掃描。

6221結(jié)合了高分辨率電流源和兆赫茲的更新速率，因而它以高保真度模擬的電流 信號(hào)與模擬電流斜波很難分辨。

免費(fèi)的儀器控制實(shí)例啟動(dòng)軟件

電流源的儀器控制實(shí)例軟件簡(jiǎn)化了采用吉時(shí)利2182A執(zhí)行基本電流源任務(wù)以及調(diào) 整復(fù)雜的測(cè)量功能。這款在LabVIEW編程環(huán)境中開(kāi)發(fā)的軟件包含一份進(jìn)階測(cè)量指南， 這有助于用戶設(shè)置儀器和正確連接，以及設(shè)置基本電流源功能。此軟件包具有支持 delta模式、微分電導(dǎo)和脈沖模式測(cè)量等先進(jìn)工具。使用此軟件包，用戶能打印用于任 何預(yù)編程函數(shù)的儀器指令，它提供在定制應(yīng)用中包含這些函數(shù)的起點(diǎn)。

微分電導(dǎo)

微分電導(dǎo)測(cè)量是非線性隧道器件和低溫器件最重要和最關(guān)鍵的測(cè)量之一。數(shù)學(xué)上 的微分電導(dǎo)是器件I-V曲線的導(dǎo)數(shù)。6220或6221與2182A納伏表的結(jié)合使用是業(yè)內(nèi)最完 整的微分電導(dǎo)測(cè)量方案。這些儀器組合也是最快的方案：比其它可選方法的速度快10 倍而且噪聲低很多。在一次測(cè)量中就能獲取數(shù)據(jù)，無(wú)需經(jīng)過(guò)通過(guò)多次掃描再將結(jié)果進(jìn) 行平均，這既耗時(shí)又容易產(chǎn)生誤差。而且，622X和2182A簡(jiǎn)單易用，因?yàn)樗鼈兊慕M合可 以作為單臺(tái)測(cè)量?jī)x器使用。它們簡(jiǎn)單的連接消除了其它方案很難處理的隔離和噪聲電 流問(wèn)題。

圖1. 運(yùn)行、分析和顯示微分電導(dǎo)測(cè)量。

Delta模式

最初，吉時(shí)利為電壓和電阻低噪聲測(cè)量開(kāi)發(fā)的delta模式法需要將2182納伏表和可 觸發(fā)外部電流源結(jié)合使用。實(shí)際上，delta模式能自動(dòng)觸發(fā)電流源使信號(hào)極性交替變 化，然后在每個(gè)極性上觸發(fā)納伏表讀數(shù)。此電流反向法消除了任何恒定的熱電失調(diào)， 從而確保測(cè)量結(jié)果反映了真實(shí)的電壓值。

同樣地，這種基本方法已在622X和2182A的delta模式中采用，但是此方法在實(shí)現(xiàn) 中已被極大地增強(qiáng)和簡(jiǎn)化。現(xiàn)在，此方法消除了隨時(shí)間漂移的熱電失調(diào)，只用以前方 法的一半時(shí)間就能產(chǎn)生結(jié)果，而且允許電流源控制和設(shè)置納伏表，因而僅需兩次按鈕 便能完成測(cè)量設(shè)置。改進(jìn)的熱電失調(diào)消除和較高的讀速率可將測(cè)量噪聲降低至1n

圖2. Delta模式提供1000:1噪聲衰減

Delta模式能準(zhǔn)確測(cè)量低電壓和小電阻。將622X和2182A正確連接后，用戶只 用按下電流源的Delta按鈕，再按下Trigger按鈕，就能啟動(dòng)測(cè)試。622X和2182A能 無(wú)縫地配合工作并能通過(guò)GPIB接口（6221的GPIB或以太網(wǎng)接口）進(jìn)行控制。622X 提供免費(fèi)的控制軟件實(shí)例，包括“帶領(lǐng)”用戶完成delta模式設(shè)置過(guò)程的指南。

脈沖測(cè)試

即使測(cè)量過(guò)程本身引入的少量熱量也會(huì)提升DUT的溫度，從而使測(cè)試結(jié)果偏 移或甚至損壞器件。通過(guò)在脈沖測(cè)量過(guò)程中為提供用戶設(shè)置最佳的脈沖電流幅 度、脈沖間隔、脈沖寬度和其它脈沖參數(shù)等最大靈活性，6221的脈沖測(cè)量功能使 DUT的功耗降至最低。

6221憑借全量程微秒級(jí)上升時(shí)間使短脈沖（因而降低了熱耗散）成為可 能。6221/2182A組合使脈沖和測(cè)量同步——可以在6221施加脈沖后16μs立即開(kāi) 始測(cè)量。包括完整的納伏級(jí)電壓測(cè)量在內(nèi)的整個(gè)脈沖寬度可僅為50μs。6221和 2182A之間的工頻同步消除了電力線相關(guān)的噪聲。

標(biāo)準(zhǔn)波形和任意波形發(fā)生器

6221是市面上唯一一款低電流電流源波形發(fā)生器。它能設(shè)置產(chǎn)生基本波形 （正弦波、方波、三角波和斜波）并且用支持逐點(diǎn)定義波形的任意波形發(fā)生器 （ARB）來(lái)定制波形。它能以10兆次采樣/秒的輸出更新速率產(chǎn)生1mHz～100kHz頻 率范圍的波形。

性能優(yōu)于交流電阻橋和鎖定放大器

相對(duì)交流電阻器橋和鎖定放大器而言，622X/2182A組合具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括 噪聲低、輸出的電流更小、測(cè)量的電壓更小、到DUT的功耗更小而且成本低。而 且，無(wú)需電流前置放大器。

6221還能在已經(jīng)采用鎖定放大器 的應(yīng)用中，擴(kuò)展鎖定放大器的功能。 例如，它能清潔信號(hào)并且其輸出同步 信號(hào)使其成為鎖定應(yīng)用（例如測(cè)量器 件的第二和第三諧波響應(yīng)）的理想輸 出源。

6220和6221與自制電流源比較

許多需要電流源的研究人員和工 程師嘗試用電壓源和串聯(lián)電阻器來(lái) 湊合。這是需要交流電流時(shí)的常用方 法。這是由于在6220/6221推出之前 市面上沒(méi)有交流電流源出售。然而， 自制的電流源與真電流源相比有許多 缺點(diǎn)：

• 自制電流源沒(méi)有最大電壓。您可能 想確定在您自制的“電流源”端子 上的電壓永遠(yuǎn)不超過(guò)某個(gè)界限（例 如，就許多光電器件來(lái)說(shuō)是1～2V） 。實(shí)現(xiàn)這個(gè)最直接方法是將電壓源 降至那個(gè)電壓界限。這需要降低串 聯(lián)電阻以獲得所需的電流。如果您 想設(shè)置不同的電流，就必須改變電 阻器的同時(shí)電壓保持不變！另一種 可能的辦法是給DUT并聯(lián)一個(gè)保護(hù) 電路。這些操作沒(méi)有精密的電壓控 制并且總是用作并聯(lián)器件，因而“ 盜取”了一部分流向DUT的設(shè)置電 流。

• 自制電流源的輸出不可預(yù)測(cè)。使用 由電壓源和串聯(lián)電阻器制成的自 制“電流源”，DUT的阻抗構(gòu)成分壓 器。如果DUT電阻是完全可預(yù)測(cè)的， 那么就能知道電流，但如果DUT電阻 像大多數(shù)器件那樣未知或變化，那 么電流不再簡(jiǎn)單地是施加電壓的函 數(shù)。讓電流源可預(yù)測(cè)的最佳方法是 使用極高電阻值的串聯(lián)電阻器（并 且相應(yīng)地采用高壓電壓源），這與 所需的最大電壓恰好矛盾。
  雖然可以知道（如果不能控 制）來(lái)自這種不可預(yù)測(cè)電流源的實(shí) 際電流，但是也需要付出代價(jià)。這 可以補(bǔ)充測(cè)量電流（例如用電壓表 測(cè)量串聯(lián)電阻器的壓降）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這種測(cè)量能被用作反饋以改變電壓 源或簡(jiǎn)單地記錄下來(lái)。無(wú)論是哪種 方法，它都需要附加的設(shè)備，這進(jìn) 一步增加了復(fù)雜度或誤差。更糟的 是，如果自制電流源采用大串聯(lián)電 阻進(jìn)行一般預(yù)測(cè)，那么此回讀需要 用靜電計(jì)以確保準(zhǔn)確度。

2182A納伏表

2182A擴(kuò)展了吉時(shí)利原有2182納伏 表的功能。雖然6220和6221兼容2182 ，但是使用2182進(jìn)行delta模式和微 分電導(dǎo)測(cè)量需要的時(shí)間是使用2182A 的兩倍。與2182A不同，2182不支持脈 沖模式測(cè)量。

圖3. 工頻同步的測(cè)量將50Hz/60Hz干擾降至最低。

圖4. 使用6221和免費(fèi)的啟動(dòng)控制軟件實(shí)例，通 過(guò)加、乘、連接起來(lái)，或者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波形施加濾波 器等操作輕松創(chuàng)建復(fù)雜波形。

622X/2182A組合的應(yīng)用

? 容易協(xié)調(diào)儀器而且直觀的軟件實(shí)例簡(jiǎn) 化了許多應(yīng)用的設(shè)置和操作。
? 10nΩ～100MΩ電阻測(cè)量范圍。一種測(cè) 量系統(tǒng)可用于寬范圍器件。
? 以低噪聲性能替代用于測(cè)量電阻的交 流電阻橋和鎖定放大器。
? 以50μs的窄脈寬調(diào)整脈沖和測(cè)量（僅 6221）。
? 測(cè)量微分電導(dǎo)的速度比以前的方案快 10倍而且噪聲較低。微分電導(dǎo)是用于 描述襯底材料能態(tài)密度的半導(dǎo)體研究 的重要參數(shù)。
? Delta模式使電阻測(cè)量中的噪聲降低了 1000倍。
? 對(duì)于低阻抗霍爾測(cè)量，622X/2182A組 合的delta工作模式具有業(yè)界領(lǐng)先的 噪聲性能和接觸電位抑制。對(duì)于較高 阻抗霍爾測(cè)量（大于100MΩ）,4200- SCS能取代電流源、開(kāi)關(guān)和多種高阻抗 電壓測(cè)量通道。這提供了帶預(yù)編程測(cè) 試項(xiàng)目的完整方案。

電流指標(biāo)

電流源的附加指標(biāo)

輸出電阻：>1014 Ω（2nA/20nA量程）。
輸出電容：<10pF，<100pF濾波器開(kāi)（2nA/20nA量 程）。
負(fù)載阻抗：穩(wěn)定至10μH（典型值），100μH對(duì)于6220 ，或?qū)τ诼佥敵鲰憫?yīng)的6221。
電壓極限（最大電壓）：雙極性電壓極限設(shè)為單一 值。以0.01V可編程步長(zhǎng)的0.1V～105V。
最大輸出功率：11W，4象限源或阱工作。
防護(hù)輸出準(zhǔn)確度：±1mV用于輸出電流<2mA（不包含 輸出引線壓降）。
程序存儲(chǔ)器：地址數(shù)：64K。提供逐點(diǎn)控制和觸發(fā)， 例如掃描。
最大觸發(fā)速率：1000/s。
10Hz～20MHz噪聲有效值（2nA～20mA量程）：低于 1mV有效值，5mV峰峰值（至50Ω負(fù)載）。

電流源注解：

1.建立時(shí)間指定至電阻性負(fù)載，其中最大電阻值等 于2V/Ifullscale全量程范圍。參見(jiàn)手冊(cè)獲取其它負(fù) 載的情況。
2.至0.1%最終值的建立時(shí)間通常是1%的建立時(shí)間2 倍以下。
3.典型值未經(jīng)證實(shí)，適用于23°C，代表50%段指 （50th percentile），并且僅作為有用信息。

2182A的測(cè)量功能

DUT電阻：達(dá)1GΩ（1ns）（100MΩ極限適于脈沖模 式）。
Delta模式電阻測(cè)量和微分電導(dǎo)：以高達(dá)24Hz反向 速率控制吉時(shí)利2182A納伏表（2182，以12Hz）。
脈沖測(cè)量（僅6221）：
脈沖寬度：50μs～12ms，1pA～100mA。
重復(fù)間隔：83.3ms～5s。

任意函數(shù)發(fā)生器（僅6221）

波形：正弦波、方波、斜波和4種用戶定義的任意波形。
頻率范圍：1mHz～100kHz。5
頻率準(zhǔn)確度：±100ppm（1年）。
采樣速率：10 MSPS。
幅度：4pA～210mA峰峰值至高達(dá)1012Ω負(fù)載。
幅度分辨率：16 bit（包括符號(hào)位）。
幅度準(zhǔn)確度（<10kHz）5：
幅度：±（1%讀數(shù)+0.2%量程）。
偏移：±（0.2%讀數(shù)+0.2%量程）。
正弦波特性：
幅度平坦度：低于1dB至100kHz6。
方波特性：
過(guò)沖：最大值的2.5%6。
可變占空比4：可設(shè)置至1μs脈沖寬度最小值，0.01%可編程分辨率。
抖動(dòng)（有效值）：100ns+周期的0.1%6。
斜波特性：
線性度：低于峰值輸出的0.1%至10kHz6。
任意波形特性：
波形長(zhǎng)度：2～64K點(diǎn)。
抖動(dòng)（有效值）：100ns+周期的0.1%6。

波形注解：

4.可實(shí)現(xiàn)的最小占空比受電流量程響應(yīng)和負(fù)載阻抗的 限制。
5.幅度準(zhǔn)確度可應(yīng)用至2V/I全量程范圍的最大阻性負(fù) 載。幅度衰減將出現(xiàn)在較高頻率上，取決于電流量程 和負(fù)載阻抗。
6.這些指標(biāo)僅對(duì)20mA量程和50Ω負(fù)載有效。

綜合說(shuō)明

共模電壓：250V有效值，直流。
共模隔離：>109Ω，<2nF。
遠(yuǎn)端接口：
SCPI（用于可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令）。
數(shù)字I/O：1觸發(fā)輸入，4 TTL/時(shí)延驅(qū)動(dòng)輸出。
輸出連接：
特氟綸材料絕緣的3接線柱三同軸接頭用于輸出。
香蕉安全插座用于GUARD，OUTPUT LO。
螺釘端子用于CHASSIS。
DB-9連接器用于EXTERNAL TRIGGER INPUT，OUTPUT和DIGITAL I/O。
2位置螺釘端子用于INTERLOCK。
工作環(huán)境：
工作條件：0°C～50°C，70%相對(duì)濕度至 35°C。在35°～50°C條件下，相對(duì)濕度降低 3%/°C。存儲(chǔ)條件：–25°C～65°C，設(shè)計(jì)確 保。
EMC：符合歐盟指令89/336/EEC，EN 61326-1。
安全性：符合歐盟指令73/23/EEC，EN61010-1。
振動(dòng)：MIL-PRF-28800F Class 3，隨機(jī)。
預(yù)熱：1小時(shí)達(dá)到額定準(zhǔn)確度。
被動(dòng)降溫：無(wú)風(fēng)扇。

泰克Keithley 精密直流和交流 + 直流低噪聲電流源