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[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。

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。

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(shù)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(wěn)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(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,就會導致弱電流測量不穩(wěn)定。

例如,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(藍色曲線)都不穩(wěn)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(wěn)定了,如圖3所示。

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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。

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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。

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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使用遠程傳感連接開關(guān)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。

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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:(2x2m)+(2x5m)+(1m)=15m。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)。

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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??ūP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(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。

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圖8.使用兩個SMU測試納米FET。

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。

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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(shù)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(lián)二極管,以降低測量噪聲。

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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。由于提高了最大負載電容指標,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。

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圖12.使用4201-SMU測得的100nF電容器的泄漏電流相對于時間關(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、進行非常靈敏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(wěn)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。


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