CN113325220B - 基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法 - Google Patents

Abstract

基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法，该检测器件包括本征半导体，在本征半导体上制作四个具有几何结构布局的欧姆接触型点电极：电极A、电极B、电极C、电极D；电极A、电极B，通入稳恒电流，用于在本征半导体内部形成非均匀电场分布；电极C、电极D，通入微电流并检测。本发明微电流检测器件设计结构简单，可有效地避免复杂结构引起的噪声干扰。本发明不仅有利于提高微弱电流检测精度，而且可集成于半导体薄膜材料微器件，有利于实现具备自检测功能的器件小型化。

Description

基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法

技术领域

本发明属于微弱信号检测技术领域，具体涉及一种基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法。

背景技术

随着电子科技的快速发展，微电流检测在各个领域有着越来越广泛地的应用。例如，在电子信息领域，电子器件的漏电流、暗电流检测技术；在生物领域，由细胞病变所引起的生物电流探测技术；在工程领域，由设备老化及电化学腐蚀引起的微电流检测及监控技术等。此外，在航天航空、国防科技、地质侦察、生物医疗、极端科技等广泛领域的电磁相关测量技术中起到不可或缺的重要作用。

微电流通常是指小于微安(10^-6A)量级以下的电流，即易被噪声淹没的电流信号。目前常用的测量微电流的仪器主要是各类运算集成放大器，通常是基于I-V转换法来实现微弱信号放大，其原理是：将直流微电流信号变换成模数转换器采样范围内的电压信号，通过测量电压值来表征直流微电流的大小。由于微电流属于微弱信号，对集成运放电路的降噪要求较高，而且对反馈电阻也有苛刻的要求。不仅如此，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、热噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除，因此电路设计复杂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法，该微电流检测器件设计结构简单，可有效地避免复杂结构引起的噪声干扰。本发明不仅有利于提高微弱电流检测精度，而且可集成于半导体薄膜材料微器件，有利于实现具备自检测功能的器件小型化。

本发明采取的技术方案为：

基于电场几何效应的微电流检测器件，该检测器件包括本征半导体，在本征半导体上制作四个具有几何结构布局的欧姆接触型点电极：电极A、电极B、电极C、电极D；

电极A、电极B，通入稳恒电流，用于在本征半导体内部形成非均匀电场分布；

电极C、电极D，通入微电流并检测。

所述电极A、电极B分别位于本征半导体的第一底边两角处，即两角有电流注入点电极的底边；

电极C、电极D位于以本征半导体的第二底边中垂线为对称线的两侧，即与第一底边的相对底边的中垂线为对称线的镜面对称两点位置，含两角处。

所述本征半导体形状没有特殊要求，只要能形成电场的非均匀分布即可。

所述电极A～电极D与本征半导体形成欧姆接触，电极A～电极D采用重掺杂方式或者采用低功函数金属作为点电极材料。其电极与本征半导体之间需形成欧姆接触，因此采用了低功函数金属铟In作为该器件的点电极材料。

本征半导体，实属一种没有显著掺杂物质的纯半导体单晶材料，具有高迁移率和高阻态的特征。本发明则采用本征硅半导体薄膜为演示实例。本征硅薄膜材料其电阻率为>3000Ω· cm、晶向为n-Si<100>，迁移率为>100cm²/V·s。高阻态半导体材料有利于将微电流信号转换为易测的电压信号。

基于电场几何效应的微电流测量方法，基于半导体薄膜材料的电场分布几何效应，由电极 A与电极B引入的半导体薄膜内部非均匀电场分布，能够增强由微电流引起的电极C与电极D两端的电压信号，电极C与电极D两端的电压信号与待测微电流之间成一定的比值关系。

基于电场几何效应的微电流测量方法，利用电场分布的几何效应，采用非局域测量方法，通过电极A与电极B在半导体薄膜内部形成非均匀电场分布，从电极C或者电极D通入待测微电流到半导体薄膜内部，通过探测电极C与电极D两端的电压信号来检测出微电流。对于特定的半导体薄膜材料、电极几何布局以及工作电流大小存在对应的微电流与输出电压之间的依赖关系，即本发明基于电场几何效应的微电流检测器件的技术参数。基于电场几何效应的微电流测量方法，通过改变半导体薄膜材料、电极A～电极D几何布局、工作电流大小，能够调控该微电流检测器件的技术参数，从而可调控该微电流检测器件的量程和精度。

本发明微电流测量方法，基于的简化电路模型，如图1(a)、图1(b)所示，计算结果为：

上述简化电路模型，说明了电压改变量ΔU和通入的微电流I′成线性关系，如能找到半导体薄膜材料的ΔU-I′关系，即通过测量电压的改变量可计算出微电流大小。

上述简化电路模型，只讨论了本征硅半导体薄膜上电极的几何布局对微电流与测量电压变量之间的依赖关系。

上述简化电路模型中，k值取决于测量电压信号对微电流的响应系数，即取决于半导体薄膜上电极的特定几何布局。

上述简化电路模型中，将本征硅半导体薄膜材料视为各处电阻率均匀的材料。

上述简化电路模型中，没有考虑电极的接触电阻，即欧姆接触。

电压信号的探测位置不同，电压信号对微电流的变化响应不同，电压信号与微电流之间的比值关系也不同，会影响微电流的探测精度。

对于不同的半导体薄膜材料，微电流与所测电压信号的比值关系也不同，适用范围也不同。通入的恒定电流大小不同，即工作电流大小不同，会影响通过非局域法测量微电流的有效探测范围。本发明微电流检测器件，必须要有稳恒的电流源，且在半导体薄膜内部形成非对称电场分布，但其电流大小不可使本征半导体薄膜材料引起热积累。

在实际应用中，该器件不仅可以做成独立器件使用，而且将该器件集成到半导体基器件中，可作为微电流的实时监控装置。

本发明基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法，技术效果如下：

1)本发明基于电场几何效应的微电流检测器件结构以及其测量原理和方法简单，由于微电流与测量电压之间的影响系数依赖于该器件的几何形状结构，对于电极的特定几何布局其k值明确，从而可以通过对电极C与电极D端电压的测量就可以确定微电流的大小。

2)本发明基于电场几何效应的微电流检测器件，具有高迁移率的高阻态半导体薄膜材料、可实现稳定欧姆接触的电极材料以及电极的几何布局。由于该器件的组成部分和结构简单有利于器件小型化和集成化。

3)基于本发明微电流检测器件的微电流测量方法，有利于调控微电流探测量程。如果该器件的几何形状和电极的几何布局已确定，即可通过改变恒定电流(工作电流)的大小调节探测量程。

4)本发明基于电场几何效应的微电流检测器件，可采用的薄膜材料范围广，而且其形状结构以及电极几何布局可灵活多变，有利于与其它功能器件的结构兼容。

附图说明

图1(a)为正方形本征硅半导体薄膜内部的简化电路模型图(未引入微电流时)；

图1(b)为正方形本征硅半导体薄膜内部的简化电路模型图(引入微电流后)。

图2(a)为正方形本征硅半导体薄膜器件的俯视结构示意图；

图2(b)为正方形本征硅半导体薄膜器件的仰视结构示意图。

图3为正方形本征硅半导体薄膜器件的测量方法示意图。

图4为电压信号对不同微电流的响应关系图。

图5为电压改变量与微电流之间的线性依赖关系图。

图6为由微电流引起的输出电压信号差对输出电压端点几何布局的依赖关系图。

具体实施方式

基于本征半导体薄膜材料的电场分布几何效应，在本征半导体薄膜材料上制作四个具有几何结构布局的欧姆接触型点电极。其中，电极A和电极B用于在本征半导体薄膜内部形成非均匀电场分布，电极C和电极D则用于引入微电流并检测。

首先，须通过电极A和电极B端引入电信号检测设备易于检测到的稳恒电流，以此在本征半导体薄膜内部形成非均匀电场分布；当从电极C或D端通入微弱待测电流到本征半导体薄膜内部时，将会改变本征半导体薄膜内部的原非均匀电场分布，从而改变电极C与电极 D两端的电压输出。由电极A与电极B引入的本征半导体薄膜内部非均匀电场分布，可有效地增强由微弱电流引起的电极C与电极D两端的电压信号。不仅如此，电极C与电极D 端的电压信号不仅与待测微弱电流成线性关系，而且可通过调节电极A和电极B两端的稳恒电流大小，可适应于不同量程和精度的电极C与电极D两端电压检测设备。

实施步骤：

步骤1：制作正方形本征硅半导体薄膜器件：先将本征硅切割成10x10mm²大小的方形结构，所述本征硅：电导率为﹥3000Ω·cm、晶相为n-Si<100>。并采用低功函数铟作为电极材料制作四个电极，低功函数铟有利于形成欧姆接触，如图2(a)、图2(b)所示。再采用同轴屏蔽导线，将正方形本征硅半导体薄膜器件连接于恒定电流源和电压表，即电极A与电极B作为通入稳恒工作电流的端点、电极C与电极D则作为测量电压信号的端点，完成一种基于电场几何效应的微电流检测器件，如图2(a)、图2(b)所示。

步骤2：如图2(a)、图2(b)所示，当改变电压信号测量端电极C与电极D的位置分别于C’和D’端时，发现电压信号对微电流的响应关系发生显著地变化，实验结果如图6 所示。即两个电压信号测量端点越靠近中间对称轴线，其输出电压信号与微电流之间的响应关系则发生变化，以此可调节微电流的有效测量范围。

步骤3：正方形本征硅半导体薄膜器件实例中，利用Keithley 2400源表(最大功率20W) 不仅可以提供恒定电流而且也可以测量电压，另外利用Keithley 2410源表(最大功率20W) 引入待测微电流。

步骤4：如图3所示，从电极A和电极B通入0.01mA的恒定电流，而从电极C和电极D测量电压信号。

步骤5：从电极C依次通入0.1、0.2、0.5、0.7、0.9、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0μA的待测微电流，此时通过电极C和电极D测量由微电流引起的电压信号变量，得到电压信号随不同微电流的变化响应，如图4所示。

步骤6：根据电极A和电极B两端通入的稳恒电流I，和电极C和电极D(或者C’和D’)两端微电流引入前后的电压信号U₀和U，可求得微电流I′与微电流引起的输出电压差ΔU＝U-U₀的关系。

例如：在0.01mA恒定工作电流下，如通入不同大小微电流，则可以测量出相应的电极C 和D两端电压信号。然后，依次将所有引入微电流时测得的电压U与未引入微电流时的电压U₀进行相减而得到微电流引起的输出电压差ΔU。如图5所示，不管微电流是从电极C还是C’端引入，所采集电极C和电极D(或者C’和D’)两端输出电压差ΔU与微电流I′之间依然存在着较好的线性关系。

步骤7：根据上述的ΔU与微电流I′之间的线性响应关系，通过拟合可以获得ΔU与I′之间的线性关系式，并可以确定测量电压信号对微电流的响应系数k值，实例中对应电极C和电极D两端的k＝47630Ω。之后，则根据I′＝ΔU/k关系式，可直接通过探测电极C和电极D 两端的电压信号确定微电流大小。

本发明一种基于电场几何效应的微电流检测器件及微电流测量方法，对于本征硅半导体器件，其最小可测微电流约为12.5nA，其结构简单，而且微电流测量方法简便，有利于小型化集成到各种仪器设备中进行实时暗电流和微电流监测。

Claims (3)

1.基于电场几何效应的微电流检测器件，其特征在于：该检测器件包括本征半导体，在本征半导体上设有电极：电极A、电极B、电极C、电极D；

电极A、电极B，通入稳恒电流，用于在本征半导体内部形成非均匀电场分布；

电极C、电极D，通入微电流并检测；

所述电极A、电极B分别位于本征半导体的第一底边两角，电极C、电极D位于以本征半导体的第二底边；

基于半导体薄膜材料的电场分布几何效应，由电极A与电极B引入的半导体薄膜内部非均匀电场分布，能够增强由微电流引起的电极C与电极D两端的电压信号，电极C与电极D两端的电压信号与待测微电流之间成一定的比值关系；

所述微电流检测器件利用电场分布的几何效应，采用非局域测量方法，通过电极A与电极B在半导体薄膜内部形成非均匀电场分布，从电极C或者电极D通入待测微电流到半导体薄膜内部，通过探测电极C与电极D两端的电压信号来检测出微电流；

所述电极A~电极B与本征半导体形成欧姆接触，电极A~电极D采用重掺杂方式或者采用低功函数金属作为点电极材料；

所述本征半导体为半导体薄膜材料，室温下迁移率大于100 cm²/V·s；

通过改变半导体薄膜材料、电极A~电极D几何布局、稳恒电流大小，能够调控该微电流检测器件的技术参数，从而可调控该微电流检测器件的量程和精度。

2.如权利要求1所述基于电场几何效应的微电流检测器件，其特征在于：该检测器件做成独立器件使用、或者将该检测器件集成到半导体基器件中，作为微电流的实时监控装置。

3.如权利要求1所述微电流检测器件的制备方法，其特征在于：先将本征硅切割成方形结构，并采用低功函数铟作为电极材料制作四个电极；再采用同轴屏蔽导线，将正方形本征硅半导体薄膜器件连接于恒定电流源和电压表，即电极A与电极B作为通入稳恒工作电流的端点、电极C与电极D则作为测量电压信号的端点，完成一种基于电场几何效应的微电流检测器件。

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