Richi´s Lab

Keithley 617 - Eingangs-JFET

Das Keithley 617 ist ein sogenanntes Elektrometer. Per definitionem kann es Ladungsmengen messen. Da für solche Messungen ein sehr hoher Eingangswiderstand notwendig ist, kann man mit dem Keithley 617 auch sehr kleine Ströme oder sehr große Widerstände bestimmen. Das Datenblatt gibt für den 2pA-Messbereich eine Auflösung von 100aA an. Der Widerstandsmessbereich reicht bis 200GΩ.

 

Keithley 617 Q308

Keithley 617 Q308

Derart hohe Eingangswiderstände sind nur mit großem schaltungstechnischen und konstruktiven Aufwand umsetzbar. Die Bauteile im Frontend werden teilweise nicht direkt auf eine Platine, sondern auf Teflon-Abstandshalter gelötet, da diese geringere Leckströme aufweisen. Nach der Produktion und nach Reperaturen muss das Frontend mehrfach gereinigt werden. Verschmutzungen könnten ansonsten zu relevanten Leckströmen führen.
Auch schaltungstechnisch ist die Eingangsbeschaltung des Keithley 617 außergewöhnlich. So befindet sich darin zum Beispiel ein relativ großer 250GΩ-Widerstand. Abgesehen von diesem Widerstand, der Eingangsschutzbeschaltung und der Bereichsumschaltung ist eines der ersten Elemente der Dual-JFET Q308. Dieser Transistor muss wie der Rest des Frontends einen möglichst hohen Eingangswiderstand darstellen.

Der Hersteller des Dual-JFETs scheint die Firma Micro Power Systems zu sein, dazu würde zumindest die Form des aufgedruckten M passen. Darauf folgen die Zeichen TG-168-8712. Bei den letzten vier Ziffern könnte es sich um einen Datecode handeln. Mehr Informationen lassen sich zu diesem Baustein aber leider nicht auftreiben. Das Servicemanual des Keithley 617 gibt nur an, dass es sich um einen selektierten Dual-JFET handelt.

 

Keithley 617 Q308

Es zeigt sich, dass das Die äußerst klein ist. Die kleine Fläche dürfte hilfreich sein, um die Leckströme durch das Substrat gering zu halten.

Das Gehäusepotential besitzt keinen eigenen Pin. Im Keithley 617 kontaktiert eine Metallklammer das Gehäuse und bindet so das Substrat an ein negatives Potential an. Das negative Potential sorgt dafür, dass sich die isolierenden Sperrschichten innerhalb des Substrats ausweiten und die Leckströme sinken.

 

Keithley 617 Q308 Die

Die beiden JFETs befinden sich direkt nebeneinander und sind durch eine Isolationsbarriere getrennt. Die unmittelbare Nähe sorgt für sehr ähnliche Temperaturen und damit für ein möglichst gleiches Verhalten.

 

Keithley 617 Q308 Die

Typisch für einen JFET-Aufbau stellt die untere, lila dargestellte Schicht das Gate dar. Es wird am Rand der aktiven Strukturen kontaktiert. Bei den zwei grünen, darüber liegenden Segmenten handelt es sich real um ein durchgehendes Element, dass den Lastpfad darstellt. Darüber befindet sich ein Streifen des lila Materials, das an den Enden mit der unteren lila Schicht verbunden ist. Durch diesen Aufbau schnürt das lila, invers dotierte Gate-Material das grüne Material des Lastpfads ein und ermöglicht so die Steuerung des Stromflusses.

Der Aufbau stellt sich fast komplett symmetrisch dar. Eine symmetrische Auslegung ist sinnvoll, das bei Dual-FETs meist möglichst gleiche Eigenschaften gewünscht sind. Umso interessanter ist eine Abweichung von dieser Symmetrie. Die beiden Lastanschlüsse des rechten JFETs sind nicht wie beim linken JFET auf dem kürzesten Weg zu den Lastanschlüssen geführt. Ein Anschluss nimmt den Weg entlang der Isolationsbarriere, wo sehr viel weniger Fläche zur Verfügung steht. Eine Notwendigkeit für diese Leitungsführung lässt sich oberflächlich betrachtet nicht erkennen. Denkbar ist eigentlich nur, dass der aktive Bereich unsymmetrisch aufgebaut ist. Dann war es für das ideale Pinning vielleicht sinnvoll die Lastanschlüsse des rechten JFETs zu drehen.

 

Keithley 617 Q308 Die Detail

Auf dem Die befinden sich einige Verunreinigungen, die wahrscheinlich auf das Öffnen des Packages zurückzuführen sind. In der Nähe der Gateelektrode des rechten JFETs ist allerdings ein Artefakt zu erkennen, das auch bei unterschiedlichen Belichtungen immer anders aussieht als die üblichen Verunreinigungen. Der Transistor wurde auf Grund eines erhöhten Leckstroms ausgetauscht. Vielleicht handelt es sich bei dem Artefakt um einen Produktionsfehler, der letztlich zu dem erhöhten Leckstrom geführt hat. Immerhin ist der Bereich der Gateelektrode betroffen.

 

 

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