105.元月快訊! 為台灣加油打氣專欄(44)我國已有測量極微小電流的能力/李家同(作者為本會理事長)

張貼者:2016年1月4日 下午10:43台灣精密工程學會   [ 已更新 2016年1月4日 下午10:44 ]

 

    我們的電子工業常常需要量測一個物體的電阻,當然更需要量測電流,我現在舉個例子來解釋我們量測電流的情況,請看圖一

圖一

 

圖一內是一個二極體,當電壓上面是正,下面是負的時候,可以通電流,這種電流算是比較大一點的,並不是我今天要講的,現在請看圖二

圖二

 

圖二的二極體的正負號是反過來的,上面電壓為負,下面電壓為正,意思是說這個二極體的電壓下面比較大,上面比較小,通常我們教科書上說這種情況,二極體是沒有電流的,可是如果我們非常精確地去測量它,我們會發現裡面仍然有一個非常小的電流,這個電流小到什麼程度呢?這個電流通常單位femto安培,一個femto安培等於一千兆分之一安培,一兆等於一萬億,用數學的符號來講,一個femto安培等於 安培,這是非常非常小的電流,可是我們現在的半導體工業就需要測量如此小的電流。

 

我們現在先講如何測量電阻,電阻測量起來好像很容易,請看圖三

圖三

 

各位一定都知道有一個定律叫做歐姆定律,歐姆定律通常寫成




V是電壓,R是電阻,I是電流。假設我們有一個電流源,然後我們將這個電流源送到我們要測量的物體裡面去,對我們而言,現在物體就是一個電阻,又假設我們已知可以精確地量出電壓V,我們就可以知道電阻R,因為我們可以用以下的式子

問題是我們的I有的時候要非常之小,小到一個femto安培左右,大家應該很高興的是我們國家可以產生這種非常小的電流,如何產生這種小的電流牽涉到很多的學問,我實在沒有能力在這裡講清楚,也許我們可以用一個比喻來解釋如何產生一個小的電流。

在過年期間,中央銀行有的時候發現市面上所流通的現鈔是不夠的,這時候他們就會用一種方法來放鬆銀根,這麼一來,市面上可以流通的鈔票就多一點了,如此可以使大家買年貨等等,可是這會引起一點點價格的上漲,於是中央銀行又有能力在年關以後採取收緊銀根的作法,用簡單的方法講,只要把利率提高一點,鈔票就會回流到銀行去,市面上的鈔票少一點價格也就不會再上去了。

 

從以上的例子可以看出我們一定要有一個叫回饋的機制,如果現鈔不夠,一旦發現了就要設法使它多一點,一旦發現超過我們的需要就會想辦法使現鈔少一點,現在我們產生了一個電流,我們也要有一個機制判斷我們的電流是否太高,一旦發現高出我們的要求,我們就設法把它降低,這種機制一再使用就可以得到一個非常小的電流。

 

在下面我們要介紹如何測量電流的大小,當然我們還是要用以下的公式

 

 

R是未知數,所以我們要想個辦法將I算出來,請看圖四

圖四

 

所謂算電流一定要假設這個電流是在指定的電壓之下的電流,因為不同的電壓會有不同的電流,現在我們一定要假設我們的電壓是多少,也就是說我們所假設的電壓是V,在這種情況之下我們要去量電流,注意我們不知道R,但是我們可以將R的下面串連一個電阻 ,我們再加一個電壓叫做V’,這個V’究竟該多大並不太重要,重要的是,在R的兩端我們一定要使得這兩端的電壓保持為V,這個V就是我們一開始就假設的條件,如果真的如此,我們又知道 的大小,我們可以很精確地量出 ,因此我們可以用以下的公式求出I:

 

 

我們應該滿足了,因為這一個電流就是電阻R在電壓為V的情況所留的電流,也就是我們所要的結果,大家一定會問,你怎麼能夠保證R的兩端一定是V?這又牽涉到回饋,也就是說如果我們量出R兩端的電壓大於V,就設法使它的兩端電壓降低,如果小於V,就使這兩端的電壓升高,慢慢地就會達到我們所要求的V

 

從以上可以看出來,我們的確要知道電路設計是不容易的,回饋是類比電路中間相當重要的觀念,我所知道的這家公司有相當多的類比電路工程師,他們有十幾年的經驗才能夠有這種能力。

 

可是我們的電路總是裝在一個基座上,這個基座只要有一點點稀微的變形就會造成內部的一種電壓,這個電壓當然是很小的,因為有了這個電壓,也就會產生一個電流,在一般不講究絕對精密的儀器而言,這個電流是無所謂的,可以忽略,可是我們現在所要測量的電流是非常非常小的,任何這種電流不可以存在,因為如果這種電流存在,我們所量出來的是因變形而產生的電流。

 

怎麼辦呢?大家不妨想想看,古時候有些有錢人害怕外面的窮人來干擾他,就建造了一個古堡,而且在古堡外面造了一個護城河,如此一來,外面的騷擾就不影響古堡的內部了,所以我們國家的這個儀器內部的線路周圍是挖空的,如圖五,這樣基座的變形就幾乎不會影響到我們的電路了。

 

圖五

 

還有一點,也是相當重要的,那就是我們的電路當然都有地方要焊接,如果兩點之間的焊接大小等等不完全一樣,這又會產生一個令我們不安的電流,所以我們要絕對的要求,我們電路的所有接點,它們的焊接都完全一樣,這也是最後成功的一個要點。

 

能夠量測到如此微小的電流,當然不是容易的事,可是這種技術也不是別人能夠學得會的,因為這裡面還有很多瑣瑣碎碎的其他技術,每一項技術都非常重要,只要有一點差錯就會出問題,為什麼能夠成功,很簡單,十年磨一劍,我們的工程師知道,他們絕對不能夠借助外來的技術,一定要能夠從最基本的一點一滴搞清楚所有的細節,這種下苦功是要有毅力的,也要有耐心,可是一旦成功了,別人也趕不上了。


李家同

清華大學、靜宜大學、暨南大學榮譽教授 

博幼社會福利基金會董事長 

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新竹市光復路清華大學資訊工程系
 

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