工程師必備的測試應(yīng)用，SMUs儀器技術(shù)的演進(jìn)

自20年前推出SMU以來，源測量單元(SMUs)已演變成一個多用途的儀器類別，人們經(jīng)常要求SMU解決電子行業(yè)應(yīng)用的快速擴(kuò)大陣列：

半導(dǎo)體設(shè)備制造，工藝開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)/設(shè)計

電子產(chǎn)品的生產(chǎn)驗證，如便攜式無線設(shè)備

器件所需新型先進(jìn)材料的生產(chǎn)和開發(fā)，如太陽能電池和高亮度LED

幾乎所有電子設(shè)備的測試應(yīng)用程序

在探討定義SMU技術(shù)因素之前，精確定義SMU是什么(不是什么)會很有幫助。本質(zhì)上講，SMU是快速響應(yīng)、能夠回讀電壓和電流的源，具有高精度測量的能力，緊密地集成在單封閉機(jī)箱內(nèi)。它們設(shè)計用于線路和設(shè)備評估，必須在測試設(shè)備上(DUT)施加一個直流信號，并且需要對被測信號做出響應(yīng)。SMU具有四象限運行(圖1)的能力，作為正負(fù)直流電源或吸收(負(fù)載)。它們還提供高度可重復(fù)的測量，通常具有5½-或6½-的數(shù)字分辨率。 SMU通常對用于確定被測設(shè)備I-V特性的電流和電壓進(jìn)行掃描。由于這些優(yōu)勢，SMU已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，并且是許多自動化測試系統(tǒng)的通用部件。

圖1 四象限SMU設(shè)計

有些主張與此相反，認(rèn)為傳統(tǒng)儀器在測試與測量行業(yè)仍然是一個重要的、逐漸增多的部件。雖然特定的通信接口(GPIB，RS - 232等)可能會隨著時間的推移而過時，但是在系統(tǒng)中單獨使用或與其它SMU集成使用的基于儀器的SMU，通常為寬范圍需求的應(yīng)用提供最快、最準(zhǔn)確、最靈活的解決方案。“部件”SMU往往犧牲他們的性能以提供一個特定的外形因子。

最寬的可用功率和信號范圍

針對多類型裝置的測試，期望測試設(shè)備具有工作在寬范圍信號等級的能力。例如，功率MOSFET導(dǎo)通時的電阻非常低，通過極大的電流，但是關(guān)斷時的電阻非常高，并允許流過幾乎為零的電流。MOSFET處于開通狀態(tài)時，電流高達(dá)幾十安培，關(guān)斷時電流可能小于納安培。功率二極管和高亮度發(fā)光二極管具有相似的動態(tài)范圍要求，其全部特性也相似。對于這類器件，當(dāng)施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時，流過器件的電流非常低。當(dāng)電壓從0V至閾值電壓掃描時，器件的電流從亞納安范圍上升到毫安級。當(dāng)偏置電壓達(dá)到并超過閾值電壓時，測試電流快速增加，達(dá)到幾十甚至幾百安培，這個電流值取決于設(shè)備。期望測試設(shè)備能在寬范圍內(nèi)具有精確測量的能力，這樣可以減少所需測試設(shè)備的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

圖2 吉時利SMU和競爭對手的動態(tài)范圍比較

吉時利數(shù)字源表®儀器結(jié)合了大部分單一儀器最寬范圍信號的最大能力。型號2651A高功率源表可提供高達(dá)200W的直流電源和2000W的脈沖功率。它可以測量高達(dá)50A的電流，具有最大分辨率為1pA的測量能力。型號2636A動態(tài)范圍上領(lǐng)先于行業(yè)，具有測量10A降至1fA信號的能力，提供160位電流分辨率。

一些基于SMU儀器的競爭對手宣稱，型號2636A雙通道系統(tǒng)源表儀器具有相同的動態(tài)覆蓋范圍，測量10A降至10fA的信號。然而，當(dāng)比較每一個SMU(圖2)測量范圍時，很明顯型號2636A在電流幅值上比競爭產(chǎn)品低兩個數(shù)量級。這意味著型號2636A不是必須依賴其測量范圍的最低有效位和最低精度位來實現(xiàn)真正的寬動態(tài)范圍。對于儀器用戶，在低電流測量的準(zhǔn)確度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供應(yīng)商也宣稱他們的寬范圍覆蓋性。然而，這些外形因子限制了他們的動態(tài)范圍，使其比基于SMU的Keithley儀器小幾十倍。在高端范圍，他們受限于設(shè)備能夠提供多大的功率，大多數(shù)部件SMU最大輸出100mA的電流。在低端范圍，對于各種實際的低壓測量，所有設(shè)計在較小空間、具有不充分屏蔽的線路的電磁干擾會產(chǎn)生過多的電噪聲。結(jié)果就是通?？床坏讲考MU的任何電流低于10微安。

最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

測試設(shè)備制造商總是盡力推動從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時間相關(guān)，因為它被迫運行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。

通過將輸入信號的值轉(zhuǎn)換為輸入電壓電平給電容充電的時間和反極性參考電壓給電容放電的時間之間的關(guān)系，那么積分ADC能夠產(chǎn)生杰出的測量結(jié)果。對于一個標(biāo)準(zhǔn)雙斜率積分ADC，這種關(guān)系表示為Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被測信號，Vref是參考電壓，td是電容放電時間，tc是電容充電的時間。通過對電容充電一段時間，輸入信號的噪聲尖峰經(jīng)過平均后輸出，因此在測量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對充放電周期中固定速率時鐘的時鐘周期進(jìn)行計數(shù)，以此來測量電容進(jìn)行充放電的時間。假定tc和td為時鐘周期數(shù)，由這個方程可以看出，精度是由電容充電(tc)的時間所提供的。當(dāng)允許流過更長時間時，tc計數(shù)變得更大，它提高了參考電壓(Vref)被拆分的步長數(shù)。簡單地說，tc計數(shù)變長，測量的分辨率將會增加。

從這個等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時間(tc)。為了加快測量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時間，但是這樣做會降低測量的分辨率。吉時利數(shù)字源表儀器使用積分ADC，但是為了應(yīng)對速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強(qiáng)型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統(tǒng)的雙斜率方法。增強(qiáng)型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng)新技術(shù)以加快放電時間，允許在不降低充電時間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測量分辨率。這種類型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng)新技術(shù)允許吉時利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數(shù)。

吉時利2600A系列數(shù)字源表儀器使用增強(qiáng)型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個讀數(shù)的能力。然而，對于需要更快測量的應(yīng)用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類型的ADC。

吉時利型號2651A高功率源表儀器包含一個積分ADC和18位高速數(shù)字化ADC，具有每秒讀出高達(dá)百萬個讀數(shù)的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的讀出速率，同時仍保持高的測量分辨率。

圖3：型號2651A的18位高速數(shù)字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖

圖3解釋了型號2651A高數(shù)字化ADC的能力。此ADC使用400個采樣和一微秒的時間間隔，使得它可以完整捕獲全部300微秒50A的脈沖。有了這樣的功能，型號2651A不需要額外的測試設(shè)備，也可以準(zhǔn)確地捕捉設(shè)備的瞬態(tài)及熱效應(yīng)。

多通道的可擴(kuò)展性

無論單個SMU可能的速度有多快，當(dāng)集成到系統(tǒng)中性能降低的話，它的優(yōu)點也被浪費。部件SMU本質(zhì)上較少受這個問題的影響，這要歸功于他們的高速及通過PCI或PCIe背板(133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1)連接到主機(jī)系統(tǒng)的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過外部總線如GPIB和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，GPIB的速度只是背板速度(1.8MB / s標(biāo)準(zhǔn))的一小部分。吉時利的工程師在設(shè)計2600A系列源表儀器時意識到了這點，并通過使用測試腳本處理器(TSP®)使其脫離主機(jī)系統(tǒng)自主運作，并通過稱為TPS-Link®的技術(shù)的高速、低延遲總線進(jìn)行相互通信和同步。

傳統(tǒng)的基于儀器源測量單元(SMU)要求每次從主機(jī)的一條總線傳送一個命令，因為所有儀表共用一條總線，每次只能供一個儀表使用和通信。由于總線速度緩慢，大部分時間用于在總線和儀表之間發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而其他儀表經(jīng)常閑置。TSP技術(shù)允許儀器自主運行主機(jī)系統(tǒng)的測試腳本，幾乎省去了傳輸指令的時間。一旦腳本裝入基于TSP的源測量儀表，就可以執(zhí)行整個測試序列，主機(jī)只需要傳送一個命令：指示儀器運行腳本。

圖4：TSP-Link網(wǎng)絡(luò)實例，含3個源數(shù)據(jù)儀表

TSP-Link省去了連接多個源數(shù)據(jù)儀表的需求，只需一條帶寬有限的GPIB總線就可以滿足需求。有了TSP-Link技術(shù)，只需將一個源數(shù)據(jù)儀表與GPIB總線相連，其他源數(shù)據(jù)儀表則與“菊花鏈”配置(通過便宜的CAT5e交叉線連接)相連。首先，通過TSP-Link技術(shù)將其他源數(shù)據(jù)儀表連接，這些儀表的源測量單元(SMU)以第一個源數(shù)據(jù)儀表的額外源測量單元(SMU)通道形式出現(xiàn)，通過在第一個源數(shù)據(jù)儀表上運行腳本就可以快速訪問。

與組件源測量單元(SMU)不同，利用TSP-Link技術(shù)實現(xiàn)的通道擴(kuò)展不限于主機(jī)的少數(shù)插槽。TSP-Link技術(shù)的無主機(jī)擴(kuò)展最多允許連接32個儀表，有可能創(chuàng)建一個包含64個源測量單元(SMU)通道的系統(tǒng)。此外，由于源測量單元(SMU)是基于儀表的，可用電源數(shù)量不限于底板提供的電源。即使在基于大功率組件源測量單元(SMU)系統(tǒng)中，某些型號也只能提供最大84W的電源。通過接口TSP-Link可以連接32個2651A型大功率源數(shù)據(jù)儀表，這樣創(chuàng)建的系統(tǒng)就可以提供6.4kW直流電源。

TSP-Link技術(shù)提供了一流的系統(tǒng)擴(kuò)展方法，不需要昂貴的GPIB適配器和線纜，而且通過大量減少儀表與主機(jī)之間通信數(shù)量，可以提高系統(tǒng)吞吐量。不過，TSP-Link技術(shù)的真實功率在于其同步運行多個測試提高吞吐量的能力。除了源測量單元(SMU)，無論它們是在底板上基于組件的SMU還是在GPIB總線上基于儀表的SMU，訪問總線是受限的，主機(jī)每次必須向每個SMU發(fā)送命令。為系統(tǒng)增添更多的SMU意味著增加主機(jī)必須處理的器件數(shù)量，主機(jī)必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統(tǒng)中，每次只能向一個SMU發(fā)送命令，因此所有測試都必須按順序進(jìn)行。

再通過TSP-Link接口連接的系統(tǒng)中，可以對網(wǎng)絡(luò)中的儀表進(jìn)行分組，每組擁有自己的測試腳本處理器，能夠與系統(tǒng)中的任何其他組并行運行腳本。分組中可以包括單一源數(shù)據(jù)表或多個源數(shù)據(jù)表，而且通?？梢愿鶕?jù)測試器件所需的SMU通道數(shù)量進(jìn)行分組。例如，如果正在測試的器件是一個四端口(柵極、漏極、源極、基極)MOSFET，對晶圓進(jìn)行測試，而且每個管腳需要一個SMU，那么可以將其分組為兩個雙通道源數(shù)據(jù)表，如2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表。一旦確定分組而且為每組指定運行的腳本，主機(jī)就可以通過一個命令指示所有組開始并行運行。由于在內(nèi)存中已經(jīng)存儲每組的腳本，主機(jī)只需再次發(fā)送命令就可以進(jìn)行反復(fù)測試。

以晶片上的4端口MOSFET為例，假設(shè)一個TSP-Link網(wǎng)絡(luò)包括一個組以及一個完整的測試序列，步驟如下：

主機(jī)發(fā)送開始執(zhí)行的命令。

腳本運行并對器件進(jìn)行一系列完整的測試。

數(shù)據(jù)反饋至主機(jī)，同時探測臺將探針移至下一個測試點。

如果整個序列需要1秒鐘完成，那么照此速度，每分鐘就可以測試60個點位。如果為TSP-Link網(wǎng)絡(luò)添加另外一組，測試仍然只需1秒鐘完成。不過，增加第二組后，有可能對兩個器件并行測試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測試120個點位。利用TSP-Link技術(shù)，只需為網(wǎng)絡(luò)添加分組，就可以提高系統(tǒng)吞吐量。

支持最大性能的I/O連接器

吉時利工程師為源數(shù)據(jù)表選擇了輸入/輸出連接器，旨在為目標(biāo)應(yīng)用提供最大性能。對于中級信號范圍，banana連接非常適合傳輸信號并提供最大的易用性，這也是2400 系列源數(shù)據(jù)表提供這種連接的原因。不過，對于那些電流很大或很小的應(yīng)用H，banana連接則不能支持所需的性能等級，因襲必須使用其他連接器。

對于像2651A型大功率源數(shù)據(jù)表這樣的大電流源數(shù)據(jù)表，其直流電流高達(dá)20A，脈沖電流高達(dá)50A。

常見的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達(dá)10 mΩ。在50A電流時，僅這個接觸電阻就將帶來0.5V的壓降。吉時利選擇使用性能更優(yōu)的菲尼克斯連接器，其額定電流高達(dá)76A DC。這種連接器的電流容量額定值不僅足以滿足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會在測試引線產(chǎn)生過大的壓降，從而實現(xiàn)了性能最大化，減緩上升和穩(wěn)定時間。菲尼克斯連接器的額定接觸電阻僅為0.3 mΩ，在50A電流時的壓降僅為15mV。為了便于器件連接，連接器與螺旋式接線柱已進(jìn)行匹配，提高了易用性。

對于電流低于1毫微安培的應(yīng)用，選擇泄露電流最小并支持所需電壓的連接器非常重要。這也是吉時利公司的源數(shù)據(jù)表，如237型高壓源測量單元、2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表以及6430型亞FA程控數(shù)據(jù)源表，都使用三軸連接器的原因。標(biāo)準(zhǔn)的三軸連接器可以在1500V高壓下安全運行，并涵蓋這些儀表的輸出電壓容量。不過，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實際上通過保護(hù)測試信號，幾乎可以杜絕漏電流。

解釋受保護(hù)三軸連接能夠消除漏電流的最簡單方法是將其與未受保護(hù)得同軸連接進(jìn)行比較。同軸連接是在中心導(dǎo)體周圍包裹一層屏蔽，二者之間是絕緣層。SMU的HI信號施加到中心導(dǎo)體，LO信號加于屏蔽層，如圖5所示。

圖5： 未受保護(hù)的同軸連接

在同軸連接中，中心導(dǎo)體和屏蔽層之間的絕緣體形成阻抗路徑(RL)，它以并聯(lián)方式與待測器件(RDUT)相連。這個額外的電流路徑產(chǎn)生漏電流(IL)，疊加到通過待測器件的電流(IDUT)，得到測量電流(IM)。

假設(shè)RDUT是200GΩ，測試電壓是200V。根據(jù)歐姆定律(I = V/R)可知，預(yù)計通過待測器件的電流是200V/200GΩ = 1nA。同軸電纜絕緣體的典型阻抗大約是2TΩ/米，因此假設(shè)電纜長度是1米，那么由于電纜泄露流出的電流就是200V/2TΩ = 100pA?？紤]到測量得到的電流是通過待測器件電流和漏電流之和，因此測量得到的電流是1.1nA (1nA + 100pA = 1.1nA)。因此，計算出來的電阻是181.818GΩ (200V/1.1nA = 181.818GΩ)，誤差為9.1% [(200GΩ – 181.818GΩ)/200GΩ * 100% = 9.1%]。隨著電纜長度的增加，泄露電阻也隨之減小，漏電流就更大;因此，在同軸連接中因泄露帶來的誤差就更大。

相反，利用三軸連接，中心導(dǎo)體被內(nèi)部屏蔽層和外部屏蔽層所包圍。與同軸連接相似，中心導(dǎo)體傳輸HI信號，外部屏蔽層傳輸LO信號。但是，內(nèi)部屏蔽層有一個專門用途：傳輸保護(hù)信號。

圖6： 受保護(hù)的三軸連接

保護(hù)信號由單位增益、低阻抗放大器驅(qū)動，它隨著HI信號電壓而變化。通過使三軸線纜內(nèi)部屏蔽層電壓與中心導(dǎo)體電壓相同，那么中心導(dǎo)體與絕緣體(RL1)之間的電勢就是0V，從而杜絕了漏電流(IL)。

從上面的例子中可以看出，即使阻抗非常高的絕緣體也可以泄露較大的電流，并給測量結(jié)果帶來較大誤差。吉時利公司的源測量單元(SMU)(低電流)使用天然的三軸連接，確保從儀表到電纜端口之間不存在漏電流路徑。某些SMU使用匹配器將banana連接轉(zhuǎn)換為三軸連接。雖然這實現(xiàn)了從儀表到待測器件的直接連接，但儀表與適配器之間的連接仍無法得到保護(hù)，從而留下電流泄露路徑。如果儀表和適配器沒有定期清洗，那么操作員皮膚的油污就可能在端口之間形成相對低的阻抗，這將成為一個非常重要的問題。吉時利公司的源數(shù)據(jù)表使用天然的三軸連接，確保從根本上杜絕這些經(jīng)常被忽視的泄露路徑。

SMU技術(shù)領(lǐng)先

吉時利公司目前的SMU技術(shù)領(lǐng)先地位是從20世紀(jì)80年代以來數(shù)十年的儀表工程設(shè)計和開發(fā)努力的結(jié)果，包括一系列廣泛的SMU相關(guān)專利：

利用N溝道和P溝道FET實現(xiàn)范圍變化(5，144，154)

利用電流/電壓限制實現(xiàn)電壓/電流源控制(5，039，934)

電流控制高壓固態(tài)開關(guān)(5，146，100)

受保護(hù)的印制電路板島(5，490，325)

測試接觸點連接檢查方法與電路(5，886，530)

遙控儀表接觸檢查(5，999，002)

利用二次反饋實現(xiàn)失靈SMU的范圍變更(具有二次反饋的源測量單元，消除范圍變更其間的瞬變) (6，262，670)

低噪聲電源變壓器(7，009，486)

自動確定范圍的電流分流(自配置電流測量) (7，276，893)

源測量電路(阻抗遮蓋) 7，202，676

大容量載荷測試(7，800，380)

測試儀表網(wǎng)絡(luò)(動態(tài)TSP-Link網(wǎng)絡(luò)細(xì)分(DTNS)) (7，680，621)

目前，吉時利擁有測量與測試業(yè)界技術(shù)最先進(jìn)儀表SMU生產(chǎn)線，推出4種不同種類的源測量單元(SMU)，涵蓋從臺式測試到大吞吐量生產(chǎn)測試等多種測試，具有最廣泛的動態(tài)范圍。

• 237型高壓SMU具有10fA、10µV測量靈敏度，高達(dá)1100V源和測量電壓。它是作為230系列產(chǎn)品之一于20世紀(jì)80年代推出的，目前237型SMU仍然用于高壓參數(shù)測試領(lǐng)域，包括雙極-CMOS-DMOS (BCD)技術(shù)的工藝控制和可靠性監(jiān)控。

• 6430型亞fA程控源數(shù)據(jù)表集成了SMU的電壓和電流源以及測量功能，比靜電計靈敏度更高、噪聲更低、輸入阻抗更高。高達(dá)10aA的靈敏度使得它成為測試實驗室評估試驗組件的重要儀器，適合低電流、高阻抗或高靈敏度半導(dǎo)體測量。其低噪聲和低漂移特性還使得它非常適合單電子器件、高阻抗納米線和納米管、聚合物以及其他高阻抗納米材料的科學(xué)研究。

• 2400系列源數(shù)據(jù)表性價比高，適合臺式 (交互) 以及速度較低的集成系統(tǒng)測試。公司最新推出2401型低壓源數(shù)據(jù)表，這樣2400系列產(chǎn)品就可以為研究人員和系統(tǒng)構(gòu)建人員提供8種不同的儀表級解決方案，滿足其動態(tài)范圍需求。這些方案提供的測量范圍寬泛，不存在儀表局限性，可以滿足各種測量要求。

• 2600A系列系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表集測量速度、測量完整性以及系統(tǒng)級吞吐量于一體，適合高速生產(chǎn)測試系統(tǒng)以及PC控制測試臺應(yīng)用。公司最新推出的2651A型儀表，使得該系列產(chǎn)品支持高達(dá)200W DC和2000W的脈沖測試需求。

結(jié)束語

吉時利公司將繼續(xù)鞏固和擴(kuò)大SMU的領(lǐng)先地位，為用戶提供各種重要測量工具，滿足其直流特性分析和測量需求。