Metoda stałego prądu

Pomiary wysokich rezystancji metodą stałego prądu można wykonać albo przy użyciu woltomierza elektrometrycznego i źródła prądowego, albo stosując sam omomierz elektrometryczny. Moduł SMU wyposażony w woltomierz o wysokiej rezystancji wejściowej oraz źródło prądowe pracujące w niskich zakresach również nadaje się do takiego pomiaru. Użycie zestawu elektrometr/zewnętrzne źródło prądowe lub modułu SMU pozwala przeprowadzić pomiar czteropunktowy i kontrolować prąd płynący przez badaną próbkę. Omomierzem można dokonać tylko pomiaru dwupunktowego przy ustalonym odgórnie prądzie, zależnym od zakresu pomiarowego.

Użycie woltomierza elektrometrycznego z zewnętrznym źródłem prądowym
Podstawowy układ pomiarowy do metody stałego prądu jest przedstawiony na rysunku 14. Prąd ze źródła (I) przepływa przez nieznaną rezystancję (R), a spadek napięcia jest mierzony przez woltomierz (V). Używając tej metody można zmierzyć rezystancje o wartościach do ok. 10¹² ?. Mimo że podstawowa procedura pomiarowa wydaje się bardzo prosta, konieczne jest zastosowanie pewnych środków ostrożności. Impedancja wejściowa woltomierza musi być dostatecznie wysoka, w porównaniu z rezystancją źródła, aby błąd wynikający z obciążenia miernika mieścił się w rozsądnych granicach. Typowo, impedancja wejściowa woltomierza elektrometrycznego wynosi ok. 10¹⁴?.

Rys. 14. Pomiar wysokiej rezystancji metodą stałego prądu z wykorzystaniem woltomierza i zewnętrznego źródła prądowego

Także rezystancja wyjściowa źródła prądowego musi być znacznie większa od mierzonej rezystancji, aby pomiar był liniowy. Napięcie na badanej próbce zależy od jej rezystancji, co utrudnia obliczenie współczynnika napięciowego rezystancji, gdy używamy metody stałego prądu. Jeśli określenie tego współczynnika jest istotne, lepiej wykorzystać metodę stałego napięcia. Z woltomierza elektrometrycznego w kombinacji z zewnętrznym źródłem prądowym korzysta się do określania wysokich rezystywności materiałów półprzewodnikowych przy pomocy połączenia czteropunktowego lub metody van der Pauwa.

Użycie modułu SMU w trybie źródła prądowego/pomiaru napięcia
Moduł Source-Measure Unit pracujący w trybie źródła prądowego/pomiaru napięcia może posłużyć do pomiaru wysokich rezystancji, zarówno metodą dwu- (local sense), jak i czteropunktową (4-wire sense, 4-point probe, remote sense, nie mylić z teledetekcją – remote sensing).

Rys. 15. Pomiar wysokiej rezystancji metodą stałego prądu z wykorzystaniem modułu SMU w trybie czteropunktowym

Rysunek 15 przedstawia układ pomiarowy z SMU pracującym w trybie czteropunktowym. Tryb ten jest wykorzystywany, aby wyeliminować rezystancje doprowadzeń i przewodów, co jest szczególnie ważne przy pomiarach rezystywności półprzewodników. Pomiary tego typu zwykle wymagają mierzenia niskich napięć. Rezystancja metalowego próbnika doprowadzonego do pola kontaktu półprzewodnika może być dość wysoka. Gdy wykorzystujemy metodę remote sense, różnice napięć między punktami Force HI i Sense HI oraz między Force LO i Sense LO są zwykle ograniczone do określonych wartości, a przekroczenie ich może skutkować błędnym pomiarem. Szersze informacje o tych ograniczeniach powinny być zamieszczone w instrukcji obsługi używanego modułu SMU.
Oprócz ograniczeń na spadki napięć, niektóre moduły SMU mają rezystory automatycznego pomiaru czteropunktowego pomiędzy wyprowadzeniami HI Force i HI Sense oraz pomiędzy LO Sense i LO Force. Może to powodować kolejne ograniczenia w używaniu pojedynczego SMU w trybie remote do niektórych zastosowań, np. pomiarów rezystywności półprzewodników. W takim przypadku, należy użyć SMU jako źródła prądowego w trybie dwupunktowym i osobnego woltomierza do pomiaru różnicy napięć. Szczegółowe informacje na ten temat można znaleźć w rozdziale 4.4.3 podręcznika Low Level Measurements Handbook opublikowanego przez firmę Keithley.

Rys. 16. Pomiar wysokiej rezystancji metodą stałego prądu z wykorzystaniem modułu SMU w trybie dwupunktowym

Użycie omomierza elektrometrycznego
Dokładność pomiarów wykonywanych przy pomocy omomierza elektrometrycznego może być zaburzona przez wiele czynników. Na rysunku 16 został przedstawiony pomiar rezystancji (R) przy pomocy takiego przyrządu. Omomierz wykorzystuje wewnętrzne źródło prądu oraz woltomierz elektrometryczny do wykonania pomiaru i automatycznie przelicza oraz wyświetla wynik. Warto zauważyć, że pomiar taki jest dwupunktowy, w odróżnieniu od zestawu woltomierz elektrometryczny + zewnętrzne źródło prądu, który pozwala na wykonanie pomiaru czteropunktowego. Różnica wynika stąd, że źródło prądowe omomierza jest na stałe połączone z wewnętrznym woltomierzem i nie da się użyć go osobno.

Ekranowanie

Tak, jak przy pomiarach małych prądów, odpowiednie ekranowanie połączeń pomiarowych może znacząco zredukować wpływ rezystancji upływności kabli i poprawić dokładność pomiaru. Efekt obciążenia rezystancją kabli (oraz innymi rezystancjami upływów) można praktycznie wyeliminować wysterowując ekran przewodu za pomocą wzmacniacza o jednostkowym wzmocnieniu, co ilustruje rysunek 17. Jako że napięcie na R_L jest praktycznie zerowe, cały prąd I_R płynie przez R_S i wartość rezystancji źródła można określić dokładnie.

Rys. 17. Ekranowanie aktywne przewodów w celu wyeliminowania rezystancji upływu

Prąd upływu (I_G) przez ścieżkę upływu przewód-ziemia (R_G) może być znaczny, ale prąd ten jest dostarczany z niskoimpedancyjnego wyjścia wzmacniacza x1, a nie ze źródła prądowego (I_R).