Wie gelingen Messungen von Proben mit hohen Widerständen?
Die Messung von Proben oder Prüflingen mit besonders hohem Widerstand erfordert eine andere Vorgehensweise im Vergleich mit der Messung im üblichen Widerstandsbereich. Widerstände größer als 10 MΩ werden als hohe Widerstände bezeichnet. Je größer der Widerstand ist, desto mehr kommen die nachfolgend diskutierten Punkte zum Tragen.
Die Anregung
Aus apparativer Sicht ist es üblich eine Stromquelle zu verwenden und die anliegende Spannung zu messen. Bei hohen Widerständen fließt jedoch nur ein kleiner Strom und die Kapazität der Leitungen macht sich bemerkbar. Daher ist es besser eine Spannungsquelle zu verwenden und den Strom zu messen. Dieser Punkt führt uns direkt zur nächsten Modifikation; statt der üblichen 4-Punkt Kontaktierung ist eine 2-Punkt Kontaktierung zu bevorzugen. Da die Widerstände der Kabel sehr gering sind, im Vergleich zur Probe, kann der Einfluss vernachlässigt werden. Eine Gleichspannung ist wegen der Zeiteffekte, die bei einer Wechselspannung auftreten können, zu bevorzugen. Es ist zu beachten, dass es häufig zu einer Verschiebung der Nulllinie kommt. Daher ist eine zusätzliche Messung mit geändertem Vorzeichen notwendig. Der resultierende Widerstand ist der Mittelwert. Dies ist in Abb. 1 schematisch dargestellt.
Abb. 1
Kabel & Erdung
Die Kabel verdienen eine besondere Aufmerksamkeit. Sie weisen parasitäre Kapazitäten und/ oder Leckströme auf. Beide Effekte sind unerwünscht und sollten minimiert werden. Eine sinnvolle Auswahl sind Triaxkabel, da sie diese Effekte durch einen mittleren Schutzschirm auf gleichem Potential reduzieren. Die Kabellängen sollten auf das tatsächlich erforderliche Maß beschränkt werden.
Sind verschiedene Komponenten am Messaufbau beteiligt, z.B. neben dem Messgerät noch ein Kryostat, sollte man sich Gedanken über die Erdung machen. Viele unabhängige Erdungen führen zu Masseschleifen, die das Rauschen erhöhen. Idealerweise gibt es einen Punkt an dem verschiedene Massen zusammenlaufen („Star Point“).
Rechenbeispiel
Unser Prüfgegenstand habe einen Widerstand von 10 G. Wir nutzen als Messequipment das M81-SSM mit dem neuen SMU-Modul, welches auch abgebildet ist. Das SMU-Modul kann u.a. in der Konfiguration Spannungsquelle und Strommeter genutzt werden. Wir regen mit 10 V Gleichspannung an. Mittels I = U / R resultiert ein Strom von 1E-9 A oder 1 nA, welcher noch sehr gut gemessen werden kann; die Genauigkeit der Strommeter-Funktion ist angegeben mit ±(0,5% + 300 fA) bzw. im vorliegenden Beispiel ist das in etwa ±6 pA.
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