Testowanie i charakteryzacja metali, nadprzewodników w bardzo niskich temperaturach, materiałów skali nano, wysoko domieszkowanych półprzewodników, pomiary prądów ciemnych fotodiod oraz wiązek elektronowych w akceleratorach wymagają dokonywania pomiarów prądów rzędu nanoamperów, a nawet mniejszych. Albo otrzymywany prąd jest bardzo mały, albo materiały niskomocowe, takie jak grafen grubości pojedynczych warstw atomowych, wymagają pracy z bardzo niskimi natężeniami prądu, aby minimalizować rozpraszanie ciepła i zapobiec zniszczeniu z przegrzania. Także pomiary bardzo dużych rezystancji izolatorów, polimerów czy materiałów ceramicznych oraz nisko domieszkowanych półprzewodników wymagają umiejętności pomiarów bardzo małych prądów.
Dokonywanie pomiarów tak małych prądów i wysokich rezystancji wymaga sprzętu o specyficznych możliwościach oraz stosownych technik pomiaru. Urządzenia mogące służyć do takich pomiarów to m.in.: elektrometry, pikoamperomierze oraz źródła wymuszająco-pomiarowe (ang. Source-Measure Unit, SMU). Przyrządy takie, w połączeniu z dobrymi praktykami pomiarowymi pomagają zapewnić precyzję i powtarzalność pomiarów niskich prądów i wysokich rezystancji. Artykuł jest przeglądem urządzeń i technik pomiarowych używanych do takich pomiarów.
Obwód pomiarowy
Prawidłowy układ do pomiaru prądu jest przedstawiony na rysunku 1. Ważne jest, żeby przyrząd pomiarowy był przyłączony do punktu o niskim potencjale, co daje mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia go wskutek przyłożenia zbyt wysokiego napięcia. Poza tym, gdy przyrząd pomiarowy jest blisko masy, napięcia szumowe są zwykle mniejsze, co skutkuje lepszymi wynikami pomiaru.
Rys. 1. Pomiar wysokiej rezystancji przy użyciu zewnętrznego źródła napięcia
Amperomierz można modelować jako idealny amperomierz (IM) o zerowej rezystancji wewnętrznej połączony szeregowo z rezystorem (RM), jak przedstawia rysunek 2. Gdy źródło prądowe, którego zastępczy obwód Thevenina stanowi źródło napięciowe (VS) połączone szeregowo z rezystorem (RS), jest połączone do wejścia amperomierza, mierzony prąd różni się od mierzonego idealnym amperomierzem (o RM = 0 ?). Różnica wynika z rezystancji wewnętrznej (RM), na której pojawia się spadek napięcia (VB).
Rys. 2. Wpływ napięcia błędu na dokładność pomiaru prądu
Minimalizacja tego napięcia maksymalizuje dokładność pomiaru. Pikoamperomierze, elektrometry i moduły SMU wykorzystują amperomierz ze sprzężeniem zwrotnym (ang. feedback ammeter), czyli wzmacniacz o dużym wzmocnieniu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym w stopniu wejściowym, zilustrowany na rysunku 3. Ta technika minimalizuje napięcie obarczające pomiar błędem, typowo do wartości kilkuset mikrowoltów. Dla porównania, cyfrowe multimetry, wykorzystujące rezystancję bocznikującą przy pomiarach prądu, mogą mieć napięcie błędu na poziomie dziesiątek woltów.
Jest wiele potencjalnych źródeł błędów mogących wpływać na dokładność pomiaru małych prądów, np. amperomierz może powodować błędy, jeśli nie jest poprawnie podłączony. Napięcie odkładające się na rezystancji wewnętrznej amperomierza oraz prąd wejściowy przyrządu również mogą wpływać na wynik pomiaru, a rezystancja mierzonego źródła wpływa na szumy amperomierza sprzężenia zwrotnego. Do zewnętrznych źródeł błędów należą z kolei: prądy upływu kabli i oprzyrządowania oraz prądy generowane przez elektryzowanie oraz efekt piezoelektryczny.
