本文深入浅出地阐明pA、fA级电流测量的挑战、Triaxial三轴电缆、Guard技术原理、源测量单元SMU是什么、常规的电流表、电压表的特征、电缆漏电、FormFactor两款探针技术指标说明。通过本文的阅读与理解，可以系统性地对fA级测量有系统理解，具对直流低噪声探针台的Micro-Chamber、Atto-Guard技术、低噪声直流探针、以及SUM测量单元都有一个全面认识。

　　1.关于fA级直流DC测量

　　提到直流测量时，大部分工程师觉得十分简单，不需要理解与掌握射频测量时一大堆复杂的校准和相关概念。如果要完成普通的DC测量，诸如mA、uA幅度的测量确实不复杂，一般使用普通的源表和探针即可完成表征。但是如果进行pA、fA级这种微小电流的幅度大小半导体器件测量时，情况变得较复杂，因为很多因素都会影响到测量的准确性和一致性。

　　（写到此需要做一个小小的说明，看到有些人会说做pA、fA级精度的测量，这样的表述不是特别准确，应该是pA、fA级电流幅度大小的测量，就是说要测量的这个元器件，其电流值十分十分小，这样才是先进半导体的技术趋势，那么意味着半导体器件的功耗十分小。如果认为是pA、fA级的精度测量这个需求，也可以勉强说的过去，那么如果测量一个uA级大小的电流假定3.7uA，一般这么描述就够了，没有必要说我要测量到一个3.7248389uA精确的电流，电流表述的精度达到了fA级精度，有何意义呢？）

　　到底哪些因素会影响到pA、fA级测量的准确性，后面再作答。首先回答pA、fA级这种半导体器件的测试需求来自那里呢？随着电子产品体积更小、更轻便，但是功能比以往更强大。这种矛盾意味着构成电子系统的半导体器件功能更强大，尺寸减小。直观上看这是一对矛盾。行业内一方面先进半导体封装技术正在解决着热耗密度剧增的问题，诸如采取晶圆级尺寸封装来提升散热能力以及信号完整性水平。但是最本质上还是要单位门电路单元的功率，以达到节能降耗的目的。因此低栅压、低阈值电流等特征的半导器件需求增多，也响应了地产生了半导体晶圆的微电流测量需求。

　　----总结：fA级电流测量的需求来源于先进半导体发展的需求，一般指的是电流幅度为fA级，另外fA级电流测量确实是以一项挑战，

　　2.影响fA级直流测量准确性的因素

　　影响微fA级直流测量准确性的因素很多，主要可以从三个方面是来阐明：测量仪表组，连接，待测器件。

　　1.首先这台测量仪表具有表征fA级电流的测量能力，否则再好的连接（探针台+探针）

　　也是没有用的。在本文中，重点不谈及测量仪表部分的准确性和重复性问题，因为假定我们选择的这台测量仪表具有fA级测量能力。如果就仪表内部如何实现fA级进入深入讨论，第一我们也知识能力达不到，其二也没有必要性。就把这部分作为黑盒子，只保证输出接口能力即可。

　　2.其次是连接部分，连接部分由于线缆漏电、自激杂散电流、污染等影响导致测量出

　　现较大的失真；

　　3.DUT待测器件部分，主要是DUT器件所处的环境因素，诸如温度稳定、机械稳定、

　　探针与Pad接触稳定、周围空气干燥、抗电磁、抗光干扰能影响。如果待测器件是晶圆、且器件底部设有电极Pad，需要使用探针台进行测量表征，那么Chuck的漏电情况会明显影响测量结果。

　　其实关于fA级如何测量，测量理论方案是半导体测量学的一个分支，其地位并行于高速、射频微波测量，因此十分复杂，深奥。做一个十分专业的介绍，讲解。估计也需要100-200页的内容来完成的。而这边文章是完全站在一个应用者的角度上描述的，相信通过这篇文章的学习，至少可以给客户讲的清楚，与客户交流起来没有一点障碍，甚至可以纠正与引导客户的购买方案。

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　　图1测量由三部分构成示意

　　----总结：fA级电流测量的准确性与测量仪表、连接部分（电缆等组件）、待测器件的环境均有关。另外fA级测量本身就是微小直流测量学的一个分支，难度不亚于射频测量。

　　3.50Ω特征阻抗

　　传输线的特征阻抗或者说是端口的特征阻抗，是一个比较抽象的概念，也是一个比较容易混淆的概念，有些人误解为导线的直流阻抗。即便是电子专业的技术人员，有很多人也对传输线的特征阻抗概念说不清楚，或者死记硬背公式，更别说非电子专业的技术人员了。特别是高速电路，射频，微波电流领域，是一个经常会提到的一个概念。再搞清楚这个概念前，需要明白以下几个外围概念：

　　1.什么是传输线？

　　2.什么是长线效应？

　　3.什么是特征阻抗？

　　4.为何是50欧姆？

　　1.什么是传输线，简单的说，传输线就是能够传输信号的连接线。电源线，视频线，同轴电缆，PCB板上的走线（表层称为微带走线，内层称为带状走线），都可以称为传输线。

　　2.什么是长线，假设传输线上流过的信号是工频信号50Hz，那么信号的波长为6000公里(假设信号速度为光速),即使传输线的长度有1千米长，相对于信号来说还是很短的，对信号来说传输线可以看成短路，传输线对信号的影响是很小的。但是对于高速信号来说，假设信号频率提高到300MHz，1GHz，信号波长就减小到1米，0.3米，对于传输1.5m的距离来说，这是传输线和波长可以比拟，在一个数量级上。在传输线上就会存在波动效应，在传输线上的不同点上的电压电流就会不同。在这种情况下，就需要考虑输线对信号造成的影响。再举一个形象的例子，轿车在行驶中遇到一小坑，车子就会颠簸，甚至无法通过，但是对履带式的坦克而言，碰到一小坑，甚至一条较宽壕沟都可以顺利通过。因为轿车车轮尺较小，尺寸可以和小坑可以比拟，产生了波动效应。

　　3.特征阻抗属于长线传输范畴的一个概念，信号在传输线中传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场，由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。

　　4.对于特征阻抗，有些人也打比方，特征阻抗好比水管的粗细，如果均匀管道，那么水流平稳，某一处管子突然变细，那么水流会产生反射，或者某一处管子直径变粗，水流也会不平稳。再者好比河道中的水流一样，如果河中间有颗大石头阻挡，那么那处水花会升高，形成紊流，如果河面突然有落差，或者河床有个深坑，水花会下陷。其实这样的例子都能形象地说明特征阻抗不连续时信号会发生反射，造成信号失真。

　　5.为何是50欧姆的传输线，这是由于历史原因形成的。需要注意的一点是，特征阻抗是传输线的固有特性，它不随着承载电压幅度、频率的改变发生改变。

　　----总结：特别对高速测量领域，50欧姆阻抗是一个事实上的工业标准，因为高速仪表端口阻抗一般是50欧姆。因此要求测量线缆、链路都要达到这个要求，否则链路连接处会发生信号发射，造成能量损失，信号失真。好比一条标准的高速公路，如果达到50欧姆这个等级，那么小汽车行驶在这条高速路上十分顺畅，车速能达到120码，否则高速公路达不到50欧姆这个等级，那么小汽车会产生颠簸，车速达不到120码。

　　4.开尔文连接

　　开尔文（Kelvin）测试就是通常所说的四线测试方式，四线开尔文测试的目的是扣除导线电阻带来的压降。一段30cm长导线的等效电阻大概是十毫欧姆到百毫欧姆，如果通过导线的电流足够大（比如是安培级的话），那么导线两端的压降就达到几十到上百mV。如想准确测量负载两端的电压就必须扣除导线电阻带来的压降。开尔文测试的等效电路如下：

　　其中RL等效为被测器件，通过V/I源的FORCE线为器件提供恒流，通过SENSE线测量RL两端的电压。而FORCE和AGND导线均存在等效电阻，当流经的电流较大时，势必产生比较大的压降。由于SENSE和DGS直接接到负载两端，且输入阻抗极高，故流过这两根导线的电流可视为零，从而能精确读取负载两端电压。

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　　图2四线法测量两端口器件的示意图

　　对于双端口的器件，每一个Pad上需要扎两个探针，这样两个Pad上一宗需要扎4个探针。分别形成两个回路。一个回路是Force线，提供恒定电流。另一个回路是sense线，接在电压表上。并且电压表的接入电阻十分大，流过sense线的电流几乎为零。

　　显然这样，即便连接器件两侧Pad上的探针有接触电阻、探针自身电阻、连接电缆电阻几乎不会对测量结果造成影响。换言之，这就是一种远程测量方法，即可以将测试环境原理测试对象。

　　----总结：四线法属于一种远程测试方法，遥感测试。因为可以不考虑待测器件两侧端子或者Pad之外的接触电阻，探针自身电阻、导线电阻等等，言下之意，就是测量主体可以距离待测对象很远。另外核心一点是force线提供恒流源、sense线检测电压，两者之间分离。

　　5.SMU源测量单元与基础电路

　　5.1 SMU介绍

　　什么是SMU?直译是源测量单元，具有提供源的能力，也具有测量的能力。再具体一些，就是可以提供电压源、电流源，也可以用来测量DUT的电压、电流。当然上述这些功能可以单独使用或者可以组合使用。

　　SMU是一只高精度电源仪器，利用SMU可以完成fA级的测量表征。此外，SMU还提供开尔文四线测量功能和一个同时包括双极性电压和功率消耗的能力的四象限输出。SMU可以执行电流扫描和电压扫描，可以利用这一功能可以来表征器件的IV特征。因此，SMU已经在业界被广泛采用，也是半导体领域的研发、生产活动中常用的设备之一。SMU具有四象限输出，它可以提供正电压和正电流（1象限）、负电压和正电流（2象限）、负电压和负电流（3象限）或者正电压和负电流（4象限）。

　　5.2实际电压源和电流源

　　当SMU作为源时，可以提供电压源和电流源。理想的电压源是可以这么描述：无论接入Load大小如何变化，Load两端的电压与电源提供的电压大小完全一致。即对于变化的负载Load，理想的电压源是恒定的，是一个恒压源。

　　实际上，由于电源内部均有内阻，根据分压原理，Load两端获取到的电压值会比电源电压小一点，特别是在轻载时，这种偏差（偏小）会更大，更明显。在重负载时，这种偏差（偏小）会减小。如果当load无穷大，或者断开输出。那么这时才与电源电压相等。

　　这说明了如果仪表要提供一个稳定的电压源，那么其输出内阻要尽量无限小，逼近零欧姆。

　　同样，理想的电流源是可以这么描述，无论接入负载Load大小如何变化，流过Load两端的电流与电源提供的电流大小完全一致。即对于变化的负载Load，理想的电流源是恒定的，是一个恒流源。

　　实际上，任何的电流源都可以等效为一个恒流源与一个较大电阻的并联。根据分流原理，通过Load两端的电流会比提供的理想电流小一点，特别是在重载时，这种分流更明显，导致流过Load两端的电流会更小，出现更大的偏差（偏小的更多），在轻载时，这种偏差（偏小）会减小。如果当load无穷小，或者输出短路时，那么这时才会与理想电流相等。

　　这说明了如果仪表要提供一个稳定的电流源，那么其输出内阻要尽量无穷大。

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　　图3理想与实际电压、电流源示意

　　5.3电流表和电压表

　　在讲述电压、电流表的原理时，先说说集成运放，因为讲述电压表、电流表的时很难绕开这个知识点。实际上要测量一个uV、nV或者更小的电压信号或者测量一个pA、fA的电流也是十分不容易的事情。需要对这个小信号进行不失真的放大，然后变成大信号，然后进行离散、采样、数字化然后再显示。

　　一个基本的差分集成运放单元如下，其中A为运放的放大倍数。集成运放的特性电压虚短、电流虚断。即U+=U-,I+=I-=0。

　　电压表：根据集成运放的特性可以推出这V0=V2*(1+Ra/Rb），单端输入V2。放大倍数为(1+Ra/Rb）。另外可以看出，电压表的输入内阻十分大，输入电流几乎为零。

　　推理过程：V0-V2=Ra*I;V2=Rb*I,可以得出V0=V2*(1+Ra/Rb）。如果Ra短路，Rb断开路那么放大倍数为1，这就是一个电压buffer。

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　　图4电压表原理示意

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　　图5电压buffer，Guard技术示意

　　电流表：分流式电流计的分析，与电压放大器推理类似，根据集成运放的特性可以推出这V0=IIN Rs*(1+Ra/Rb），单端输入IIN。一般Rs十分小，有利于提升电流表响应时间，同时降低电压负担，提升测量精度。

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　　图6电流计原理示意

　　为何电流表的内阻会影响测量的精度呢？请参考图7的简单分析：

　　用电流表A来测量电源Is，电流源表的内阻Rg。显然电流表内部串接的电阻Rs和电流表A内阻Ri均会影响测量的准确性，当Ri或者Rs变大的话，那么会导致电流表A的测试电流偏差更大。

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　　图7电流表的内阻以及寄生参数影响测量精度示意

　　----总结：SMU是一种比普通源表高级的测量仪表，表现在功能复杂、测量精度等方面。SMU可以提供高精度的电压源、高精度的电流源、同时也是一台高精度的电流表、一台高精度的电压表。可以提供（正电压、正电流）、（正电压、负电流）、（负电压、负电流）、（负电压、正电流）,这样为双极性晶体管、PMOS/NMOS器件的测量提供了十分方便的条件，且提供扫描功能。因此在测量表征器件的IV/CV性能方面十分方便。另外SMU也支持两轴、三轴、四线法测量。

　　另外一般来说，理想电压源内阻都极小，这样输出的电压才能近似恒压。电压源的输出阻抗极小；理想电流源的内阻都极大，这样电流源才能近似恒流源，电流源的输出阻抗极大；电压表的输入阻抗十分大，电流表的输入阻抗较小。

　　6.三轴连接与guard技术

　　三轴连接或者三轴电缆在pA级（幅度）、fA级测量中经常提到的一个概念。

　　首先看同轴电缆和三轴电缆的构造：同轴电缆的结构由里向外依次为：中心导体->绝缘层->屏蔽层->绝缘护套；三轴电缆的结构由里向外依次为：中心导体->绝缘层->内金属屏蔽层->绝缘层->外金属屏蔽层->绝缘护套。

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　　图8三轴电缆以及连接器示意

　　看完三轴连接的图片后，我们再说guard技术，guard技术确实是一大发明，本质是一种等电位技术，它可以有效解决连接部分的漏电问题。

　　为了说明guard技术的好处，分几个部分来进行阐述：

　　1.用电压表测量电压

　　假设要测量一组电压源的参数（Vs，Rs）。使用电压表Vm来测量。测量使用的连接部分分别为屏蔽电缆（带一层屏蔽层）和三轴电缆。

　　1）屏蔽电缆模式：电缆的中心金属芯导体和金属屏蔽层之间填充绝缘介质，其绝缘电阻为RL。那么测得电压值为：Vm=Vs*[RL/(RS+RL)]，其中电压表读取的电压Vm与介质的绝缘电阻RL成正比关系，显然RL值越大，表示绝缘程度越高，电压表读数Vm越接近Vs。其实也意味这电缆的漏电越小，电压表读数Vm越接近真实值。

　　2）三轴电缆模式：这时需要电压表的Guard端子连接到三轴电缆的外屏蔽金属层guard上，由于电压表内部的guard构成了一个电压buffer，这意味这Hi端子和Guard端子的电压相等，成为等电势体，那么RL就被短路了。因此电压表Vm的读数就和Vs一致了。

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　　图8三轴电缆使用guard技术可以保证测量准确

　　3）三轴电缆模式除此之外，还有一点比同轴电缆好，就是可以提升系统的响应时间，由于电缆对地具有电容Cshunt，且Rs存在，因此会形成平衡时间常数T=Rs*Cshunt。这意味着D电压表Vm的测量电压不可能很快地达到Vs，而是等待几个时间常数。试想过长的时间常数势必会影响测试速率，也会印象扫描频率，具体参考图9。

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　　图9三轴电缆guard技术可以提升电压表响应速度

　　2.用专门电压源和电流表测量器件电流

　　第一个案例是指测试系统放置在一个金属屏蔽夹具腔体内。待测DUT器件放置在一个绝缘支架上，绝缘支架的底座是金属板。其中绝缘支架的绝缘电阻为RL，电压源提供的电压为V，正极HI，负极LO。传统测量方法，此时电流表上显示的电流Im=流过样品的电流Idut+IRL.

　　因此电流表的读数Im会变大，不能真实反映测量结果。

　　如果使用Guard技术，即将绝缘支架的底座金属板和LO用导线连接，此时底座金属板的与LO等电位，因此流过绝缘支架上的电流会通过底座金属板直接泄放到LO上，这个时候此时电流表上显示的电流Im=流过样品的电流Idut。

　　这个也是Formfactor探针台上使用的attoguard技术。在微暗室的周围还包围着一层金属材料，连接到guard线上，而guard线与force是等电位，那么由于这两者是等电势，因此就可以很好地放置待测器件向chuck上漏电以及向周围金属微暗室的腔体漏电，因此漏电可以做的很小很小，其原理就是如此。

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　　图10 FormFactor探针台的attogurad技术，可以使非热chuck的漏电降低到3fA。

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　　图11 guard技术使用在金属屏蔽测试夹具的应用

　　3.用SMU表测量器件电流

　　这个案例是使用SMU作为源测量器件的电流，分别使用同轴电缆和三轴电缆。SMU具有两个作用，第一个作用是提供电压源，第二个作用是作为电流表。当然SUM提供的这个电压源对电压可以进扫描。传统测量方法，此时电流表上显示的电流Im=流过样品的电流Idut+IRL.因此SMU测量的结果Im会变大，不能真实反映测量结果。

　　如果更换三轴电缆，采取guard技术（注意SMU上的一个端子guard必须要使用起来，在使用同轴模式时，这个端子是不连接的），由于guard端子和output HI端子是等电势，因此相当与RL1被短接，因此在RL1上没有电流流通，且电压buffer的输入内阻几乎无穷大，因此也没有电流通过RL1.显然Im=Idut，实现了准确表征。

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　　图12 guard技术使用SMU源测量器件电流

　　----总结：guard技术是一种等电位技术，可以有效地解决测量电缆绝缘介质漏电，以及各种绝缘介质的漏电，保证测量的准确性。如果单纯从提升绝缘介质的绝缘等级，要实现fA级的测量，根本不可能实现，比登天还难。

　　另外一点就是，三轴电缆作为测量仪表和测量器件之间的连接部分，那么也要求测量仪表具有guard功能才行，否则也是无意义。另外一点就是guard这个金属线是带有电位的，有可能与电源的正极等电势，有可能与电源的负极等电势，因此不能随便触摸，小心安全。

　　7.电缆漏电介绍

　　上面章节说了，电缆的漏电问题会导致测量pA、fA时需要使用guard技术。这也说明了漏电问题的重要性。两个金属层的漏电大小（假定导体两端加载电压均为1V)与绝缘介质材料的绝缘电阻相关，一般绝缘电阻越好，漏电越小，绝缘电阻越小，漏电越厉害。（写到此，有人说，那么用一根裸导体进行不行吗，答案是不行，为何呢，其实裸导体与电源的LO线之间也存在漏电，只不过这个时候的介质是空气而已，甚至漏电更严重，且容易受到外界干扰）。下面对个各种介质材料的绝缘材料的性能做一个总结，让大家也定性的认识一下为何一根满足fA级的电缆为何也不便宜呢。

　　1.体积电阻率，是材料每单位体积对电流的阻抗，用来表征材料的电性质。通常体积电阻率越高，材料用做电绝缘部件的效能就越高。通常所说的电阻率即为体积电阻率。

　　2.表面电阻率，是平行于通过材料表面上电流方向的电位梯度与表面单位宽度上的电流之比，用欧姆表示。是指表示物体表面形成的使电荷移动或电流流动难易程度的物理量。其材料表面电阻率与材料的表面污染程度有很大关系。

　　3.压电效应，这个概念相对比较熟悉，诸如声表滤波器以及MEMS传感器依靠压电效应来制作。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

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　　图13压电效应示意图

　　4.摩擦起电效应，这个概念相对比较熟悉，也就是通过摩擦的方式使得物体带上电荷。摩擦起电的步骤，是使用两种不同的物体相互摩擦，使得它们的最外层电子得到足够的能量发生转移，摩擦起电后两物体必带等量异性电。例如：丝绸摩擦过的玻璃棒分别带负电荷和正电荷，毛皮摩擦过的橡胶棒则相反。注意：摩擦起电适用于所有物体（导体、绝缘体皆可）。

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　　图14摩擦电效应示意图

　　“低噪声”电缆大大降低了这种效果。它通常使用内部聚乙烯绝缘体，外屏蔽层下涂有石墨。

　　石墨提供润滑和导电等势圆柱使电荷均衡，使摩擦效应产生的电荷最小化。然而，即使是低噪声电缆也会产生一些噪声因为受到振动和膨胀或收缩，所以所有的连接应保持尽量短，远离温度变化。最好由胶带或绑扎支撑连接到非振动表面，诸如墙、工作台或其他刚性表面结构。对于运动和振动问题，还有许多其他的解决方案：

　　1.振动源的去除或机械解耦。电机、泵等机电设备都有通常的来源。

　　2.测试连接的稳定性。安全地安装或绑牢电子元件、电线和电缆.屏蔽应牢固。

　　5.阻水率，漏电与介质吸收的水汽有关。

　　杂散电流也会来自电化学效应，当离子化学物质在电路板上的两个导体之间产生弱电池时。

　　例如，常用的环氧印刷电路板，在没有彻底清除蚀刻液、助焊剂或其他污染物时，会在导体之间产生几nA的电流。

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　　图15电化学效应示意图

　　高湿度或者粒子污染可显著降低绝缘电阻。在高湿度条件下会发生冷凝或水吸收;离子污染可能是身体油脂，盐分，或焊剂。尽管这些污染物的主要结果是减少绝缘电阻，高湿度和离子污染的组合可形成导电通道，甚至可作为高电阻的电化学电池。以这种方式形成的单元可以作为源长时间电流的pA或者nA。

　　为了避免污染和潮湿的影响，可以选择阻水性的绝缘子保持适当的湿度。也要确保所有的绝缘子都保持清洁和无污染。如果绝缘体受到污染，应使用清洁剂对电路的连接部分进行清洗。

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　　----总结：保证电缆漏电十分小，要从电缆的电阻率、压电效应、摩擦起电效应等角度都要给予重视。

　　8.其他概念

　　击穿电压：损坏电压，当带电导体的电压超过一定值时，此时在带电导体和其他导体之间会发生放电击穿，这意味着介质的绝缘会失效，一般会出现烧毁击穿，产生电弧。如果是空气介质的话，会发生空气放电，也会产生电弧效应。

　　对于探针而言，诸如高压探针3KV，10KV如果介质受到湿气、污染等就容易发生击穿。一般定义击穿电压，都说是两层导体之间，或者两个导体之间，但是有时会发现仅有一个导体，比如一根裸金属线，我们也谈论击穿电压的概念，这是怎么回事呢？其实这个时候指的是金属线与大地之间的击穿电压，

　　不要忘记了，其实大地也是一个无限大导体，那么此时介质就是指空气。

　　对探针而言，就是中心导体与外层介质之间的绝缘能力。

　　绝缘电阻：就是填充到两层导体间的介质电阻值，这个值越大意味着更小的漏电发生和可以承受更大击穿电压。

　　探针3dB带宽：这个术语我们经常能看到，到底是什么意思呢？指的是一个传输系统，无源或者有源系统，当加载一个一定幅值（1V）的交流信号时，随着这个交流信号频率的升高，其传输系统会对这个交流幅值进行进行衰减，当其幅值衰减到了原来值的0.707（√2/2）时，那么其功率会衰减到原来的一半，以对数表述就是：10*log（Pout/Pin）=10*log（Vout/Vin）2=20*log（Vout/Vin）=20*log（0.707）=-3dB。即我们说的传输功率衰减到一半时所对应的那个频率点。

　　对探针而言，就是在探针信号入口处接入一个交流信号，当这个交流信号的频率上升时，信号的能量会衰减，电压会降低。当频率升高到某个值（假定是150M)时，这个时候能量会衰减一半，电压或者电流幅值衰减到0.707倍。

　　写道这里，有一个新的问题，探针为何会衰减高频信号呢，就是说，频率越高的信号，在探针上衰减的幅度越厉害，当频率升高到一定程度时，可能就加载的交流信号就传递不过去了，衰减的几乎完了，接收方观测什么也观察不到了。

　　换句话说，探针对高频信号的阻力会随着频率越高阻力会越来越大。

　　因为一个探针，或者一段裸导线等等，相对大地都有一个并联的电容，这个电容基板的介质就是空气。那么就形成了一个滤波电容，也是一个低通滤波器。

　　SSMC连接器：Miniature微型同轴连接器，端口阻抗50Ω，频率范围DC-6GHz。

　　9.Formfactor两款著名的fA级电流探针

　　打开Formfactor公司官网，会发现fA级直流探针没有想象那么多，仅有两种（两个系列）。具体是DCP 100 Series Probe和DCP-HTR Series Probe。其中前者高温可以耐受到150℃，后者可以耐受到300℃。那么这两种fA级直流探针作用是什么？在半导体晶圆测量表征中，测量表征的对象是客户制造的半导体器件，测量使用的设备是Keysight公司或者Tektronix公司的半导体参数分析仪，首先要明白这些半导体参数分析仪是非常牛的，非常厉害的，它自身具有测量表征fA、fF的能力。如何把半导体分析仪上的这种测量能力释放出来呢，用在半导体测量表征中？必须通过探针，探针针尖得扎到待测器件的Pad上才可以实施。因此高质量的探针才能保障Keysight或者Tektronix半导体分析仪发挥出它的作用，实现半导体分析仪的价值最大化，fA级探针是半导体分析仪功能的延伸，价值的延伸。打个比喻，好比一个具有灵巧绣花技艺的人，必须有一个特别细致精巧的针，否则也无法完成绣花。

　　通过上面的讲述，可以看到fA级直流探针不是那么容易设计与制造，技术含量也是很高的，在某种意义上不亚于射频探针的设计制造。

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　　DCP 100 Series Probe DCP-HTR Series Probe

　　图16 FormFactor公司的两款fA级直流探针

　　为了减少连接电缆引起的泄漏电流，Guard技术是有效。探针与同轴电缆连接如下图所示：

　　Guard减少了仪器（SMU)和DUT(待测器件或者wafer上的die）之间的泄漏电流。这一点在测量低电流时很重要。

　　1.切断和修剪同轴电缆的末端，使中心导线不接触guard导线。

　　2.将中心导线连接到探头的尾部。不要将外部导体连接到探测针上。但是，外部导体应该尽可能靠近探针。（简单地说，就是要求guard这一层尽量包住探针，因此探针裸漏的越多，裸漏的这一段长度，对地会形成并联电容，并联电容的大小与裸漏导体的长度成正比，因此探针裸漏部分越多，会造成漏电越大）

　　3.如果探针是同轴探针，则将外导体连接到探针的外导体。

　　下面的示例连接可用于减少泄漏电流。将外部导体尽可能靠近探针，这也减少了感应噪声。

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　　图17探针结构，2轴转3轴连接方式

　　10.探针说明

　　一、DCP-100系列探针介绍

　　DCP-100系列探针夹持器为先进的晶圆制造和元器件表征以及可靠性测量提供了优越的测量精度。它有优秀的隔离和屏蔽技术，DCP-100系列探针克服了非同轴探针的性能约束。

　　针夹为金属钨材料，针体镀金，端口阻抗50欧姆，连接器类型SSMC。3dB带宽为150M。

　　意味这款针可以进行一些低频测量，如果仪表加载的交流电压接近150MHz时，电压幅值会损失到原来的0.707倍。温度范围为-65℃-150℃。

　　1.DCP-100系列探针本质是一个探针针臂、针体和探针（尖）的组合，不是一个小小的针尖。

　　2.一个单独地DCP-100探针上有两个SSMC接口，可以进行同轴连接，使用一个SSMC即可；那么探针的针夹为signal，探针的外层（包裹探针的这一层金属）为Shield。具体连接方式就是需要一根同轴电缆，一端连接到SSMC上，另一端连接到SMU仪表上。

　　3.若果是开尔文针夹，那么一个探针就需要两个SMMC接口。在具体测量时，两侧需要四根同轴电缆连接到仪表上。

　　4.如果进行三轴连接，那么DCP-100探针的最外层，包裹针尖的这一层需要连接在guard上。这个时候需要一个同轴转三轴的连接器，转成三轴电缆后，再连接到SMU上。

　　5.一般地要进行fA级测量，一般要配合探针台的Micro-Chamber技术。

　　6.还有一种型号DCP-150GPR-50探针，针尖扎在Signal上，旁边的ground针可以扎在GND pad上，完成测量信号和GND之间的漏电等参数测量。

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　　2.DCP-HTR系列探针介绍

　　DCP-HTR探针与DCP-100系列类似，不过可以耐受高温至300℃。并且datasheet中明确给出了漏电指标，±10fA -65℃-200℃，±20fA 200℃-300℃。这里面也隐含了一个条件，加载的电压是500V。另外也给出了常温下的探针的电容值。另外在使用上与DCP-100系列情况基本一致。

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