作者：泰克科技

源測量單元（SMU）是一種可以提供電流或電壓，并測量電流和電壓的儀器。SMU用來對各種器件和材料進行I-V表征，是為測量非常靈敏的弱電流，同時提供或掃描DC電壓而設計的。但是，在擁有長電纜或其他高電容測試連接的測試系統中，某些SMU可能不能在輸出上容忍這樣的電容，從而產生有噪聲的讀數和/或振蕩。

4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU（選配4200-PA前置放大器）可以進行穩定的弱電流測量，包括在高測試連接電容的應用中也非常穩定，例如使用非常長的三芯同軸電纜來連接器件的應用。與其他靈敏的SMU相比，4201-SMU和4211-SMU的最大電容指標已經提高，這些SMU模塊用于可配置的Model 4200A-SCS參數分析儀，使用Clarius+軟件進行交互控制。

本文探討了4201-SMU和4211-SMU可以進行穩定的弱電流測量的多種應用實例，包括測試：平板顯示器上的OLED像素器件、長電纜MOSFET傳遞特點、通過開關矩陣連接的FET、卡盤上的納米FET I-V測量、電容器泄漏測量。

實例1：平板顯示器上的OLED像素器件測試

在測量平板顯示器上的OLED像素器件的I-V曲線時，通常會通過開關矩陣把SMU連接到LCD探測站上，這時會采用非常長的三芯同軸電纜（一般在12-16m）。圖1是采用Keithley S500測試系統的典型的平板顯示器測試配置。S500是一種自動參數測試儀，它可以量身定制，通常用來測試平板顯示器。對圖中所示的情況，S500中的SMU通過開關矩陣連接到探測站，然后探測卡再把測試信號連接到玻璃平板上的DUT。由于使用非常長的電纜進行連接，所以如果測量技術和儀器使用不當，就會導致弱電流測量不穩定。

例如，如圖2示，在使用傳統SMU通過16m三芯同軸電纜連接到DUT上時，OLED器件兩個I-V曲線中的飽和曲線（橙色曲線）和線性曲線（藍色曲線）都不穩定。但是，使用4211-SMU在DUT的漏極端子上重復這些I-V測量時，I-V曲線穩定了，如圖3所示。

圖1. 使用Keithley S500測試系統測試平板顯示器的配置圖

圖2.傳統SMU測得OLED飽和及線性I-V曲線。 圖3. 4211-SMU測得OLED的飽和及線性I-V曲線。

實例2：長電纜nMOSFET傳遞特點測試

可以使用兩個SMU生成n型MOSFET的Id-Vg曲線。一個SMU掃描柵極電壓，另一個SMU測量漏極電流。圖4是典型測試電路的電路示意圖，其中使用20m三芯同軸電纜把SMU連接到器件端子上。

圖4. 使用兩個SMU測量MOSFET的I-V特點。

圖5顯示了使用兩個傳統SMU及使用兩個4211-SMU測量的傳遞特點。藍色曲線（使用兩個傳統SMU獲得）在曲線中顯示了振蕩，特別是在弱電流及改變電流范圍時。紅色曲線是使用兩個4211-SMU得到的電流測量，非常穩定。

圖5. 使用傳統SMU和4211-SMU及20 m三芯同軸電纜生成的nMOSFET Id-Vg曲線。

實例3：通過開關矩陣連接的FET測試

測試通過開關矩陣連接的器件時，可能會面臨很大挑戰，因為要求額外的線纜。三芯同軸電纜用來把SMU連接到開關矩陣上，再從開關矩陣連接到DUT。圖6顯示了典型的電路圖，其中兩個SMU使用遠程傳感連接開關矩陣。使用遠程傳感（4線測量）而不是本地傳感（2線測量），要求每個SMU連接兩條電纜，由于電纜是平行的，所以這會使SMU輸出的電容提高一倍。

圖6. 通過707B開關矩陣把SMU連接到DUT的簡化示意圖。

在這種情況下，SMU使用2m電纜連接到開關矩陣的行（輸入）上；開關矩陣的列（輸出）使用5m電纜連接到配線架上。然后再使用另一條1m電纜從配線架連接到探頭，所以從一個SMU到DUT的三芯同軸電纜的總長度是： （2 x 2 m） + （2 x 5 m） + （1 m） = 15 m。除了三芯同軸電纜外，開關矩陣本身也增加了電容，在計算測試系統總電容時可能需要包括進去。

在測量通過開關矩陣連接的FET器件的輸出特點時，使用兩個4211-SMU較使用兩個傳統SMU的結果明顯改善。在這項測試中，其中一個SMU被偏置恒定柵極電壓，另一個SMU掃描漏極電壓，測量得到的漏極電流。使用兩個傳統SMU （藍色曲線）和兩個4211-SMU （紅色曲線）生成的漏極電流相對于漏極電壓關系曲線如圖7所示。在進行毫微安培測量時，使用傳統SMU測量漏極電流會出現振蕩（如藍色曲線所示）。而在使用4211-SMU測量通過開關矩陣連接的FET的漏極電流時，測量結果穩定（如紅色曲線所示）。

圖7. 使用兩個傳統SMU及兩個4211-SMU測量通過開關矩陣連接的FET的Id-Vd曲線對比。

實例4：擁有公共柵極和卡盤電容的納米FET

通過使用4201-SMU和4211-SMU，可以在納米FET和2D FTE上進行穩定的弱電流測量。這些FET及其他器件有時會有一個器件端子通過探測站卡盤接觸SMU。圖8是納米FET測試配置的典型電路圖。在這個實例中，一個SMU通過卡盤連接到柵極端子。卡盤的電容最高達幾毫微法拉第，可以由探測站制造商驗證。在某些情況下，可能必需使用卡盤頂部的傳導墊接觸柵極。

SMU可以使用同軸電纜或三芯同軸電纜連接到卡盤上，具體視探測站制造商而定。同軸電纜卡盤在測試電路中表示為負載電容，因為這個電容出現在SMU的Force HI與Force LO之間，如圖中所示的實例。而帶有三芯同軸電纜的卡盤則表示為電纜電容。

圖8. 使用兩個SMU測試納米FET。

在使用兩個傳統SMU連接2D FET的柵極和漏極時，會產生有噪聲的Id-Vg磁滯曲線，如圖9所示。但是，在使用4211-SMU連接同一器件的柵極和漏極時，得到的磁滯曲線是平滑穩定的，如圖10所示。

圖9.傳統SMU測得的2D FET Id-Vg磁滯曲線。 圖10. 4211-SMU測得的Id-Vg磁滯曲線。

實例5：電容器泄漏

在測量電容器泄漏時，需要對被測電容器應用一個固定電壓，然后測量得到的電流。泄漏電流會隨著時間呈指數級衰落，因此通常需要以已知時間周期應用電壓，然后再測量電流。視被測的器件，測得的電流一般會非常小（通常《10nA）。圖11是使用SMU測量電容器泄漏的電路圖。推薦在電路中使用串聯二極管，以降低測量噪聲。

圖11. 使用SMU和串聯二極管測量電容器泄漏。

圖12是使用4201-SMU測量的100nF電容器的泄漏電流相對于時間關系圖。由于提高了最大負載電容指標，4201-SMU和4211-SMU在測量電容器泄漏時比較穩定，但是否需要串聯二極管，則取決于電容器的絕緣電阻和幅度及電流測量范圍。這可能需要做一些實驗。

圖12. 使用4201-SMU測得的100nF電容器的泄漏電流相對于時間關系圖。

Keithley 4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU為在各種器件和材料上提供電壓、進行非常靈敏（《nA）弱電流測量提供了理想的解決方案。這些SMU特別適合在擁有高測試連接電容的測試電路中進行穩定的弱電流測量。與其他靈敏的SMU相比，其最大電容指標已經提高。