【導讀】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(lái)對各種器件和材料進(jìn)行I-V表征,是為測量非常靈敏的弱電流,同時(shí)提供或掃描DC電壓而設計的。但是,在擁有長(cháng)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(chǎn)生有噪聲的讀數和/或振蕩。
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(lái)對各種器件和材料進(jìn)行I-V表征,是為測量非常靈敏的弱電流,同時(shí)提供或掃描DC電壓而設計的。但是,在擁有長(cháng)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(chǎn)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(jìn)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(cháng)的三芯同軸電纜來(lái)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(jīng)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(jìn)行交互控制。
本文探討了4201-SMU和4211-SMU可以進(jìn)行穩定的弱電流測量的多種應用實(shí)例,包括測試:平板顯示器上的OLED像素器件、長(cháng)電纜MOSFET傳遞特點(diǎn)、通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET、卡盤(pán)上的納米FET I-V測量、電容器泄漏測量。
實(shí)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(xiàn)時(shí),通常會(huì )通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣把SMU連接到LCD探測站上,這時(shí)會(huì )采用非常長(cháng)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(dòng)參數測試儀,它可以量身定制,通常用來(lái)測試平板顯示器。對圖中所示的情況,S500中的SMU通過(guò)開(kāi)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(cháng)的電纜進(jìn)行連接,所以如果測量技術(shù)和儀器使用不當,就會(huì )導致弱電流測量不穩定。
例如,如圖2示,在使用傳統SMU通過(guò)16m三芯同軸電纜連接到DUT上時(shí),OLED器件兩個(gè)I-V曲線(xiàn)中的飽和曲線(xiàn)(橙色曲線(xiàn))和線(xiàn)性曲線(xiàn)(藍色曲線(xiàn))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(shí),I-V曲線(xiàn)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(xiàn)性I-V曲線(xiàn)。 圖3. 4211-SMU測得OLED的飽和及線(xiàn)性I-V曲線(xiàn)。
實(shí)例2:長(cháng)電纜nMOSFET傳遞特點(diǎn)測試
可以使用兩個(gè)SMU生成n型MOSFET的Id-Vg曲線(xiàn)。一個(gè)SMU掃描柵極電壓,另一個(gè)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(gè)SMU測量MOSFET的I-V特點(diǎn)。
圖5顯示了使用兩個(gè)傳統SMU及使用兩個(gè)4211-SMU測量的傳遞特點(diǎn)。藍色曲線(xiàn)(使用兩個(gè)傳統SMU獲得)在曲線(xiàn)中顯示了振蕩,特別是在弱電流及改變電流范圍時(shí)。紅色曲線(xiàn)是使用兩個(gè)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(xiàn)。
實(shí)例3:通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET測試
測試通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的器件時(shí),可能會(huì )面臨很大挑戰,因為要求額外的線(xiàn)纜。三芯同軸電纜用來(lái)把SMU連接到開(kāi)關(guān)矩陣上,再從開(kāi)關(guān)矩陣連接到DUT。圖6顯示了典型的電路圖,其中兩個(gè)SMU使用遠程傳感連接開(kāi)關(guān)矩陣。使用遠程傳感(4線(xiàn)測量)而不是本地傳感(2線(xiàn)測量),要求每個(gè)SMU連接兩條電纜,由于電纜是平行的,所以這會(huì )使SMU輸出的電容提高一倍。

圖6. 通過(guò)707B開(kāi)關(guān)矩陣把SMU連接到DUT的簡(jiǎn)化示意圖。
在這種情況下,SMU使用2m電纜連接到開(kāi)關(guān)矩陣的行(輸入)上;開(kāi)關(guān)矩陣的列(輸出)使用5m電纜連接到配線(xiàn)架上。然后再使用另一條1m電纜從配線(xiàn)架連接到探頭,所以從一個(gè)SMU到DUT的三芯同軸電纜的總長(cháng)度是: (2 x 2 m) + (2 x 5 m) + (1 m) = 15 m。除了三芯同軸電纜外,開(kāi)關(guān)矩陣本身也增加了電容,在計算測試系統總電容時(shí)可能需要包括進(jìn)去。
在測量通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET器件的輸出特點(diǎn)時(shí),使用兩個(gè)4211-SMU較使用兩個(gè)傳統SMU的結果明顯改善。在這項測試中,其中一個(gè)SMU被偏置恒定柵極電壓,另一個(gè)SMU掃描漏極電壓,測量得到的漏極電流。使用兩個(gè)傳統SMU (藍色曲線(xiàn))和兩個(gè)4211-SMU (紅色曲線(xiàn))生成的漏極電流相對于漏極電壓關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。在進(jìn)行毫微安培測量時(shí),使用傳統SMU測量漏極電流會(huì )出現振蕩(如藍色曲線(xiàn)所示)。而在使用4211-SMU測量通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET的漏極電流時(shí),測量結果穩定(如紅色曲線(xiàn)所示)。

圖7. 使用兩個(gè)傳統SMU及兩個(gè)4211-SMU測量通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET的Id-Vd曲線(xiàn)對比。
實(shí)例4:擁有公共柵極和卡盤(pán)電容的納米FET
通過(guò)使用4201-SMU和4211-SMU,可以在納米FET和2D FTE上進(jìn)行穩定的弱電流測量。這些FET及其他器件有時(shí)會(huì )有一個(gè)器件端子通過(guò)探測站卡盤(pán)接觸SMU。圖8是納米FET測試配置的典型電路圖。在這個(gè)實(shí)例中,一個(gè)SMU通過(guò)卡盤(pán)連接到柵極端子??ūP(pán)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(pán)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(pán)上,具體視探測站制造商而定。同軸電纜卡盤(pán)在測試電路中表示為負載電容,因為這個(gè)電容出現在SMU的Force HI與Force LO之間,如圖中所示的實(shí)例。而帶有三芯同軸電纜的卡盤(pán)則表示為電纜電容。

圖8. 使用兩個(gè)SMU測試納米FET。
在使用兩個(gè)傳統SMU連接2D FET的柵極和漏極時(shí),會(huì )產(chǎn)生有噪聲的Id-Vg磁滯曲線(xiàn),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(shí),得到的磁滯曲線(xiàn)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(xiàn)。 圖10. 4211-SMU測得的Id-Vg磁滯曲線(xiàn)。
實(shí)例5:電容器泄漏
在測量電容器泄漏時(shí),需要對被測電容器應用一個(gè)固定電壓,然后測量得到的電流。泄漏電流會(huì )隨著(zhù)時(shí)間呈指數級衰落,因此通常需要以已知時(shí)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(huì )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(shí)間關(guān)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(shí)比較穩定,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(shí)驗。

圖12. 使用4201-SMU測得的100nF電容器的泄漏電流相對于時(shí)間關(guān)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(jìn)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(jìn)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(jīng)提高。
(來(lái)源:泰克科技 )