一文讀懂pA級電流測量的誤差控製與最佳實踐
發布時間:2025-12-09 責任編輯:lina
【導讀】在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領域,對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關鍵。然而,超低電流測量極易受到環境幹擾、儀(yi)器(qi)噪(zao)聲(sheng)及(ji)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)本(ben)身(shen)的(de)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)將(jiang)係(xi)統(tong)解(jie)析(xi)測(ce)量(liang)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)誤(wu)差(cha)來(lai)源(yuan),並(bing)基(ji)於(yu)行(xing)業(ye)實(shi)踐(jian),為(wei)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)一(yi)套(tao)可(ke)操(cao)作(zuo)的(de)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)指(zhi)導(dao)方(fang)案(an)。
在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領域,對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關鍵。然而,超低電流測量極易受到環境幹擾、儀(yi)器(qi)噪(zao)聲(sheng)及(ji)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)本(ben)身(shen)的(de)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)將(jiang)係(xi)統(tong)解(jie)析(xi)測(ce)量(liang)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)誤(wu)差(cha)來(lai)源(yuan),並(bing)基(ji)於(yu)行(xing)業(ye)實(shi)踐(jian),為(wei)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)一(yi)套(tao)可(ke)操(cao)作(zuo)的(de)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)指(zhi)導(dao)方(fang)案(an)。
4200A-SCS參數分析儀配置4200-PA遠程前置放大器時, 具有最小10aA分辨率(10-16)的特殊低電流測量能力。小電流的成功測量不僅取決於使用像4200A-SCS這樣非常靈敏的電流表,還取決於在係統的Clarius軟(ruan)件(jian)中(zhong)選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)的(de)設(she)置(zhi),使(shi)用(yong)低(di)噪(zao)聲(sheng)夾(jia)具(ju)和(he)測(ce)試(shi)電(dian)纜(lan),允(yun)許(xu)足(zu)夠(gou)的(de)積(ji)分(fen)時(shi)間(jian),並(bing)使(shi)用(yong)相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)來(lai)防(fang)止(zhi)影(ying)響(xiang)精(jing)度(du)的(de)不(bu)必(bi)要(yao)電(dian)流(liu)。本(ben)文(wen)給(gei)出(chu)了(le)Keithley最著名的測試方法建議,用於優化使用4200A-SCS進行低電流測量。
測量係統的偏置電流
建立超低電流測量係統的第一步是確定整個測量係統的偏置和漏電流,包括4200A-SCS本身、連接電纜、開關矩陣、測試夾具和探頭。這確定了整個係統的噪聲下限,並設置了一個起點,以便在可能的情況下對係統進行改進。首先測量源測量單元(SMU)的偏移量,然後繼續添加測量電路中的組件,直到除被測(DUT)外所有組件都連接上。測量直接使用Clarius軟件控製4200-SMU與4200-PA遠程前置放大器來完成。
內部偏置
理(li)想(xiang)的(de)電(dian)流(liu)表(biao)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)子(zi)為(wei)開(kai)路(lu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),回(hui)讀(du)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)應(ying)為(wei)零(ling)。然(ran)而(er),現(xian)實(shi)情(qing)況(kuang)中(zhong)電(dian)流(liu)表(biao)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)開(kai)路(lu)時(shi)確(que)實(shi)有(you)一(yi)些(xie)小(xiao)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)。這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)被(bei)稱(cheng)為(wei)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu),是(shi)由(you)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)和(he)通(tong)過(guo)儀(yi)器(qi)內(nei)部(bu)絕(jue)緣(yuan)體(ti)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)。SMU內產生的偏置電流可以參考4200-SMU的技術規格。如圖1所示,輸入偏置電流加到被測電流上,因此儀表測量值為兩個電流之和:IMEASURE = ISOURCE + IOFFSET

圖1. SMU的輸入偏置電流
測量帶有4200-PA前置放大器的每個4200-SMU的偏置時,除了金屬帽外,Force HI和Sense HI端子沒有任何連接。這些金屬帽包含在係統備件中。在進行任何測量之前,應將前置放大器連接到SMU上,並前置放大器的Force HI和Sense HI端子接上金屬帽,對SMU預熱至少一小時。偏置電流可以使用“Low Current Project”項目來測量,該項目可以在項目庫的選擇視圖中找到,或直接搜索“Low Current”獲取。圖2顯示了Clarius軟件應用程序中的這個項目。

圖2. Low Current Project在Clarius應用中
打開這個項目,選擇SMU1offset測試項,測量SMU1的偏置電流。選擇Analyze,然後運行測試。結果應該類似於圖3所示的圖形。可能需要使用自動縮放功能來適當地縮放曲線。右鍵單擊圖形可以找到自動縮放功能。當4200-PA前置放大器連接到SMU時,偏置電流應該在fA量級內。偏置電流可以是正的,也可以是負的。可用SMU標的的電流表規格來驗證這些結果。應該重複此操作對係統中的每個SMU進行單獨的測量。Low Current Project會對四個帶前置放大器的 SMU進行偏置電流測量的測試。

圖3. SMU1的偏置電流測量
輸入偏移電流規格可以通過在Clarius中執行自動校準程序來進行優化。執行SMU自動校準,請在“Tools”菜單中選擇“SMU auto calibration”。在執行自動校準之前,至少需要開機預熱60分鍾。除了金屬帽外,SMU的force HI和sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序調整係統中所有SMU的所有源和測量功能中的電流和電壓偏置。這裏不要與全係統校準相混淆,應每年在授權的機構完成一次對4200A-SCS 的全係統校準。一旦執行了SMU自動校準,就可以對偏移電流進行重複測量。
外部偏置
一旦電流表的偏置已經確定,在添加測試電路的每一個環節後,通過重複電流(加載0V)對時間的圖來驗證係統其餘部分的偏置。每次重複測試時,之前的運行都保存在曆史運行麵板中。最後,對處於“UP”weizhidetantoumoduanhuoduiweilianjieshebeideceshijiajujinxingceliang。zheyiguochengjiangyouzhuyuquedingguzhangdian,rudianlanduanluhuoceliangdianludebuwending。danshi,yaozhuyilianjieheduankaidianlanshihuizaidianluzhongchanshengdianliu。duiyujinxingchaodidianliuceliang,zaigaibianceshidianluzhongdelianjiehou,kenengxuyaodengdaijifenzhongdaojixiaoshishijishengdianliushuaijian。tu4顯示了1)僅接入force HI端子的SMU 的偏移量;2)前置放大器上僅帶三軸電纜;3)通過Keithley 7174A低電流開關矩陣到探針台上處於“UP”位置的探頭。

圖4. 整個測試係統的偏置電流測量
在生成電流-時間圖時,通過施加測試電壓來重複此測試,以確定測量電路中的任何泄漏電路。相較施加零伏偏置,使用測試電壓加載到DUT上(shang)進(jin)行(xing)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)。現(xian)在(zai)測(ce)試(shi)夾(jia)具(ju)和(he)電(dian)纜(lan)中(zhong)的(de)任(ren)何(he)泄(xie)漏(lou)電(dian)流(liu)將(jiang)被(bei)檢(jian)測(ce)到(dao)並(bing)體(ti)現(xian)在(zai)圖(tu)表(biao)中(zhong)。如(ru)果(guo)泄(xie)漏(lou)電(dian)流(liu)看(kan)起(qi)來(lai)過(guo)高(gao),可(ke)以(yi)對(dui)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng),以(yi)減(jian)少(shao)泄(xie)漏(lou)電(dian)流(liu)。參(can)考(kao)標(biao)題(ti)為(wei)“泄漏電流和 Guard”的章節,其中描述了減少泄漏電流的方法。
測量誤差的來源和減少測量誤差的方法
一旦確定了電流偏移、泄漏電流和任何不穩定性,采取措施減少測量誤差將有助於提高測量精度。這些誤差來源包括穩定時間不足、靜電影響、泄漏電流、摩擦起電效應、壓電效應、汙染、濕度、接地回路、光線和源內阻。圖5總結了本節討論的一些產生電流的量級。

圖5. 產生電流的典型幅度
穩定時間和時間菜單設置
zaijinxingxiaodianliuhegaodianzuceliangshi,celiangdianludewendingshijiantebiezhongyao。wendingshijianshikaiqiceliangshizaishijiahuogaibiandianliuhuodianyahoudadaowendingsuoxudeshijian。yingxiangceliangdianluwendingshijiandeyinsubaokuobingliandianrong(CSHUNT)和源電阻(RS)。並聯電容是由連接的電纜、測試夾具、開關和探頭造成的。DUT的內阻越高,穩定時間越長。並聯電容和內阻如圖6中的測量電路所示。

圖6. SMU測量電路包括CSHUNT和RS
因此,需要5τ 或50秒的穩定時間,將讀數波動穩定到最終值的1%以內!圖7顯示了進入RC電路的階躍電壓的指數響應。經過一個時間常數(τ =RC)後,電壓上升到最終值的63%以上。

圖7. RC電路對階躍電壓的指數響應
要成功地進行低電流測量,為每次測量添加足夠的時間是非常重要的,特別是掃描電壓時。可以在 Sweep Mode的sweep delay字段或sampling Mode的interval time字段的test setting菜單中進行設置。為了驗證要增加多少間隔時間,可以通過繪製電流與時間到階躍電壓的關係來測量 DUT的穩定時間。步進電壓應該是DUT實際測量中使用的偏置電壓。在Low Current Project測試項中可以用來進行穩定時間的測量。
測試設置菜單中的采樣點數可能需要增加,以確保穩定讀數將顯示在圖形上。在進行低電流測量時,使用Quite Speed Mode或添加額外的濾波。需要注意的是,有一個去除噪聲和測試速度的權衡。濾波和延遲越多,噪聲就會越少,但測量速度就會越慢。
靜電幹擾和屏蔽
dangdaidianwutijiejinbeicedianlushi,jiuhuifashengjingdianouhehuoganrao。zaidizukangshuipingxia,ganraodeyingxiangbingbumingxian,yinweidianhehuixunsuxiaosan。raner,gaodianzucailiaobuyunxudianhekuaisushuaijian,zhekenengdaozhiceshijieguodebuwending、有較大的噪聲。通常,當電流測量≤1nA或電阻測量≥1GΩ時,靜電幹擾是測量中必須考慮的一個問題。
為了減少電場的影響,可以將被測量的電路封閉在靜電屏蔽殼體中。圖8說明了100GΩ電阻器的非屏蔽和屏蔽測量之間的巨大差異。未屏蔽的測量比屏蔽的測量噪聲大得多。

圖8. 100GΩ電阻器上的屏蔽與非屏蔽測量
屏蔽可以隻是一個簡單的金屬盒或網格罩,包裹測試電路。商用探針台通常將敏感電路封閉在靜電屏蔽內。屏蔽連接到測量電路LO端,不一定接地。在4200-SMU的情況下,屏蔽連接到如圖9所示的 Force LO端子。

圖9. 屏蔽裝置高阻抗測試
最小化由於靜電耦合而產生的誤差電流 :
屏蔽DUT並將外殼和測試電路的公共端,4200A-SCS的Force LO端子短接
所有帶電物體(包括人)和導體遠離測試電路的敏感區域
避免在測試區域附近移動和發生振動
泄漏電流和Guard
泄漏電流是當施加電壓時流經絕緣電阻或從中泄漏的錯誤電流。當DUT的de阻zu抗kang與yu測ce試shi電dian路lu中zhong絕jue緣yuan體ti的de阻zu抗kang相xiang當dang時shi,這zhe種zhong錯cuo誤wu電dian流liu就jiu成cheng為wei一yi個ge問wen題ti。為wei了le減jian少shao泄xie漏lou電dian流liu,需xu要yao在zai測ce試shi電dian路lu中zhong使shi用yong質zhi量liang好hao的de絕jue緣yuan材cai料liao,降jiang低di測ce試shi實shi驗yan室shi的de濕shi度du,並bing使shi用yong保bao護hu技ji術shu。
Guard是一個由低阻抗源驅動的導體,其輸出與高阻抗終端處於或接近相同的電位。Guard端子用於保護測試夾具和電纜的絕緣電阻和電容。Guard端子是圖10所示的三軸連接器/電纜的內部屏蔽。

圖10. 4200A三同軸接口、線纜定義
Guard不應與屏蔽混淆。屏蔽通常意味著使用金屬外殼來防止靜電幹擾影響高阻抗測試電路。Guard意味著使用一個附加的低阻抗導體,與高阻抗電路保持相同的電位,它將攔截任何幹擾電壓或電流。Guard並不一定提供屏蔽。下麵的段落概述了兩個Guard的例子:1)使用Guard來減少由於測試夾具造成的泄漏,2)使用 Guard 來減少由於布線造成的泄漏電流。
圖11顯示了Guard如何消除可能流過測試夾具中隔離絕緣材料的泄漏電流。在圖11a中,泄漏電流(IL)流過隔離絕緣材料(RL)。該泄漏電流加到DUT(IDUT)的電流中,由SMU電流表(IM)測量,對低電流測量的精度產生不利影響。

圖11. 使用Guard以減少測試夾具的泄漏
圖11b中,金屬掛板連接到SMU的Guard端子上。絕緣固定支架的頂部和底部的電壓幾乎處於相同的電位(0V降),因此不會有泄漏電流流過隔板影響測量精度。出於安全目的,金屬屏蔽必須連接到接地點,因為底部的金屬安裝板將在Guard電位。
Guard也可用於減少布線中的泄漏電流。圖12說明了驅動保護如何防止電纜的泄漏電阻降低低電流測量的性能。在無保護配置中,同軸電纜的泄漏電阻與DUT(RDUT)平行,產生不需要的泄漏電流(IL)。這種泄漏電流會削弱微弱電流測量。
在保護電路中,三軸電纜的內屏蔽連接到SMU的Guard端子上。現在這個屏蔽由一個增益單位、低阻放大器(Guard)構成的驅動。ForceHl端子和Guard 端子之間的電位差接近0V,因此消除了泄漏電流(lL)。

圖12. 使用Guard減少電纜中的漏電流
對比使用三軸電纜和同軸電纜進行高阻測量時的結果,圖13顯示了加載10V階躍電壓到100GΩ電阻,電流 vs.時間的測試結果。三同軸電纜啟用Guard,從兩個方麵改進測量:1)它降低了有效的電纜電容從而降低了RC時間常數或測量的穩定時間,2)它防止電纜的泄漏電阻提升了測量精度。

圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結果對照
從圖13的圖表中可以看到,使用帶保護的三軸電纜可以在測量電流具有更低的泄漏電流(小幾PA)和更快的穩定時間(大約快十倍)。
如果SMU必須連接到帶有BNC連接器的測試夾具,則使用Keithley三軸電纜連接SMU和測試夾具,然後使用三同軸轉BNC的適配器(去除Guard)將電纜連接到測試夾具。
SMU連接到DUT
除了在連接DUT時使用屏蔽和Guard外,4200A-SCS與設備的接入位置也是非常重要的。SMU Force Hl和Force Lo端子連接不當會導致電流偏移,測量結果不穩定。這些誤差是由共模電流引起的。
一般情況下,始終將SMU的高阻端子(Force HI)連接到被測電路的最高電阻點上。同樣,始終將4200A-SCS的低阻端子(Force LO)連接到被測電路的最低電阻點。最低電阻點可以是一個公共端子或接地點。如果Force HI端子連接到低阻端,那麼共模電流可以通過測量電路,從而影響測試結果。
圖14給出了正確的和不正確的測量連接。圖14a為正確的連接方式,因為4200-SMU的Force Hl端子連接在晶圓上的被測器件的柵極上,Force LO端子連接在接地卡盤上。晶圓上的柵極端子是最高阻抗點,接地的卡盤是低阻抗點,所以這個電路是正確連接。注意,共模電流從SMU的Force LO端子流向接地卡盤;但是,電流不會流過安培計,因此不會影響測量。

圖14. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結果對照
圖14b顯示了將高阻柵極端子與SMU的Force LO端子連接,接地卡盤和SMU的Force HI端子連接的不恰當連接方式。在這種情況下,共模電流將流過SMU以及DUT。這將導致測試結果的不準確,甚至無法穩定測量。
摩擦電效應
mocadianliushiyoudaotihejueyuantizhijianyinmocachanshengdianheerxingchengde。zaizheli,ziyoudianziyudaotimoca,chanshengdianhebupingheng,daozhidianliuliudong。zhezhongzaoshengdianliukeyizaijishinA的範圍內。圖15展示了摩擦電流的流動情況。

圖15. 摩擦電效應產生的偏置電流
與4200A-SCS配pei套tao使shi用yong的de三san軸zhou電dian纜lan通tong過guo在zai外wai層ceng屏ping蔽bi下xia使shi用yong石shi墨mo浸jin漬zi絕jue緣yuan材cai料liao,大da大da降jiang低di了le這zhe種zhong影ying響xiang。石shi墨mo供gong潤run滑hua和he一yi個ge導dao電dian圓yuan筒tong,以yi均jun衡heng電dian荷he,並bing將jiang電dian纜lan運yun動dong產chan生sheng的de摩mo擦ca效xiao應ying產chan生sheng的de電dian荷he降jiang至zhi最zui低di。然ran而er,即ji使shi是shi這zhe種zhong類lei型xing的de三san軸zhou電dian纜lan,在zai受shou到dao振zhen動dong、膨脹或收縮時也會產生一些噪聲。因此,所有連接都應盡可能的短,遠離溫度變化(這會產生熱膨脹力),最好用膠帶或軋帶將電纜固定到非振動表麵,如牆壁、工作台或剛性結構上。
還應采用其他技術來盡量減少移動和振動問題:
移除振動源,如電機、泵和其他機電設備,或者使用機械減震
安全地安裝或固定電子元件、電線和電纜
安裝前置放大器時,盡可能靠近被測
壓電和存儲電荷效應
當(dang)某(mou)些(xie)晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)使(shi)用(yong)絕(jue)緣(yuan)端(duan)子(zi)和(he)互(hu)聯(lian)硬(ying)件(jian)固(gu)定(ding)時(shi),施(shi)加(jia)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)壓(ya)電(dian)電(dian)流(liu)。在(zai)某(mou)些(xie)塑(su)料(liao)中(zhong),儲(chu)存(cun)的(de)電(dian)荷(he)使(shi)材(cai)料(liao)表(biao)現(xian)出(chu)類(lei)似(si)於(yu)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)特(te)性(xing)。圖(tu)16所示為帶有壓電絕緣體的端子的一個例子。

圖16. 壓電效應產生的偏置電流
為了使這些影響最小化,需要從絕緣體消除機械應力和使用盡可能小的壓電和儲存電荷的絕緣材料。
汙染和濕度影響
高濕度或離子汙染可顯著降低測試夾具的絕緣電阻。高濕度條件下會發生冷凝或吸水,而離子汙染可能是人體油脂、鹽yan或huo焊han料liao助zhu焊han劑ji的de結jie果guo。絕jue緣yuan電dian阻zu的de降jiang低di會hui對dui高gao阻zu抗kang測ce量liang產chan生sheng嚴yan重zhong的de影ying響xiang。此ci外wai,濕shi度du或huo濕shi氣qi可ke以yi與yu任ren何he汙wu染ran物wu結jie合he,產chan生sheng電dian化hua學xue效xiao應ying,從cong而er產chan生sheng偏pian置zhi電dian流liu。例li如ru,常chang用yong的de環huan氧yang印yin刷shua電dian路lu板ban,當dang蝕shi刻ke液ye、助熔劑或其他汙染物未被徹底清洗時,可在導體之間產生幾nA的電流(見圖17)。

圖17. 離子汙染和濕度產生的電流
為了避免汙染和濕度的影響,選擇抗水分吸收的絕緣子,並保持濕度在中等水平(理想情況下<50%)。此外,確保測試係統中的所有組件和測試夾具保持清潔和無汙染。
地回路
地回路可以產生雜散信號,可能是直流偏置或AC信號(通常是工頻或工頻的倍數)。接(jie)地(di)回(hui)路(lu)是(shi)由(you)測(ce)試(shi)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)多(duo)個(ge)接(jie)地(di)引(yin)起(qi)的(de)。接(jie)地(di)回(hui)路(lu)的(de)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)例(li)子(zi)是(shi)將(jiang)多(duo)個(ge)儀(yi)器(qi)插(cha)入(ru)不(bu)同(tong)儀(yi)器(qi)架(jia)上(shang)的(de)電(dian)源(yuan)排(pai)。通(tong)常(chang),接(jie)地(di)點(dian)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)微(wei)小(xiao)的(de)電(dian)位(wei)差(cha),這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)生(sheng)產(chan)大(da)電(dian)流(liu),並(bing)產(chan)生(sheng)意(yi)想(xiang)不(bu)到(dao)的(de)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)。
圖18所示的配置顯示了通過將4200A-SCS信號公共(Force LO)和DUT LO連(lian)接(jie)到(dao)地(di)而(er)構(gou)成(cheng)的(de)接(jie)地(di)回(hui)路(lu)。回(hui)路(lu)中(zhong)流(liu)過(guo)的(de)大(da)接(jie)地(di)電(dian)流(liu)會(hui)遇(yu)到(dao)小(xiao)電(dian)阻(zu),要(yao)麼(me)在(zai)導(dao)體(ti)中(zhong),要(yao)麼(me)在(zai)連(lian)接(jie)點(dian)上(shang)。這(zhe)個(ge)小(xiao)電(dian)阻(zu)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang),從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)性(xing)能(neng)。
為了防止接地回路,測試係統應該隻在一個點接地。如果不能拆除DUT接地,則應拆除4200A-SCS GNDU公共端子與機箱接地之間的接地鏈路,如圖19 所示。

圖18. 地回路

圖19. 消除接地回路
結論
當配置可選的4200-PA遠程前置放大器時,4200A-SCS參can數shu分fen析xi儀yi可ke以yi精jing確que測ce量liang皮pi安an或huo更geng小xiao的de電dian流liu。要yao測ce量liang整zheng個ge測ce量liang係xi統tong的de偏pian置zhi電dian流liu,以yi確que定ding係xi統tong的de局ju限xian性xing,因yin此ci可ke以yi在zai必bi要yao時shi進jin行xing調tiao整zheng。通tong過guo使shi用yong諸zhu如ru屏ping蔽bi、Guard和儀器適當接地等技術,以及在Clarius軟件中選擇適當的設置,包括允許足夠的穩定時間,可以減少測量誤差的來源。Keithley的《低電平測量手冊》提供了關於最佳低電流測量技術的進一步原理性描述。
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