元測量單元4201-SMU和4211-SMU的多種應(yīng)用實例分析

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(shè)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(tǒng)中，某些SMU可能不能在輸出上容忍這樣的電容，從而產(chǎn)生有噪聲的讀數(shù)和/或振蕩。

泰克日前為Keithley 4200A-SCS參數(shù)分析儀推出兩款源測量單元（SMU）模塊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(wěn)定的弱電流測量，包括在高測試連接電容的應(yīng)用中也非常穩(wěn)定，例如使用非常長的三芯同軸電纜來連接器件的應(yīng)用。與其他靈敏的SMU相比，4201-SMU和4211-SMU的最大電容指標(biāo)已經(jīng)提高，這些SMU模塊用于可配置的Model 4200A-SCS參數(shù)分析儀，使用Clarius+軟件進行交互控制。

今天給大家介紹4201-SMU和4211-SMU可以進行穩(wěn)定的弱電流測量的多種應(yīng)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(guān)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(guān)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(tǒng)的典型的平板顯示器測試配置。S500是一種自動參數(shù)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(guān)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(shù)和儀器使用不當(dāng)，就會導(dǎo)致弱電流測量不穩(wěn)定。

圖1. 使用Keithley S500測試系統(tǒng)測試平板顯示器的配置圖

如圖2示，在使用傳統(tǒng)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(lán)色曲線）都不穩(wěn)定。但是，使用4211-SMU在DUT的漏極端子上重復(fù)這些I-V測量時，I-V曲線穩(wěn)定了，如圖3所示。

圖2.傳統(tǒng)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(tǒng)SMU及使用兩個4211-SMU測量的傳遞特點。藍(lán)色曲線（使用兩個傳統(tǒng)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(wěn)定。

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

實例3：通過開關(guān)矩陣連接的FET測試

測試通過開關(guān)矩陣連接的器件時，可能會面臨很大挑戰(zhàn)，因為要求額外的線纜。三芯同軸電纜用來把SMU連接到開關(guān)矩陣上，再從開關(guān)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(yuǎn)程傳感連接開關(guān)矩陣。使用遠(yuǎn)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(guān)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(guān)矩陣的行（輸入）上；開關(guān)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(guān)矩陣本身也增加了電容，在計算測試系統(tǒng)總電容時可能需要包括進去。

在測量通過開關(guān)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(tǒng)SMU的結(jié)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(tǒng)SMU （藍(lán)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(guān)系曲線如圖7所示。

》》》在進行毫微安培測量時，使用傳統(tǒng)SMU測量漏極電流會出現(xiàn)振蕩（如藍(lán)色曲線所示）。而在使用4211-SMU測量通過開關(guān)矩陣連接的FET的漏極電流時，測量結(jié)果穩(wěn)定（如紅色曲線所示）。

圖7. 使用兩個傳統(tǒng)SMU及兩個4211-SMU測量通過開關(guān)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(wěn)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(dǎo)墊接觸柵極。

圖8. 使用兩個SMU測試納米FET

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(fù)載電容，因為這個電容出現(xiàn)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9.傳統(tǒng)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

在使用兩個傳統(tǒng)SMU連接2D FET的柵極和漏極時，會產(chǎn)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(wěn)定的，如圖10所示。

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(yīng)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(shù)級衰落，因此通常需要以已知時間周期應(yīng)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(lián)二極管，以降低測量噪聲。

圖11. 使用SMU和串聯(lián)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(guān)系圖。由于提高了最大負(fù)載電容指標(biāo)，4201-SMU和4211-SMU在測量電容器泄漏時比較穩(wěn)定，但是否需要串聯(lián)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。