介紹

源測(cè)量單元（SMU）可同時(shí)輸出和測(cè)量電壓、電流，廣泛用于器件與材料的I-V特性表征，尤其擅長(zhǎng)低電流測(cè)量。在測(cè)試系統(tǒng)中存在長(zhǎng)電纜或高寄生電容的情況下，部分SMU可能因無(wú)法容忍負(fù)載電容而產(chǎn)生讀數(shù)噪聲或振蕩。

Keithley 4201-SMU（中功率）與4211-SMU（高功率，支持4200-PA前置放大器）專(zhuān)為高電容連接設(shè)計(jì)，即使在嚴(yán)苛條件下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低電流測(cè)試。它們作為4200A-SCS參數(shù)分析儀的模塊，并通過(guò) Clarius+ 軟件實(shí)現(xiàn)交互控制。

本應(yīng)用指南將闡述這兩款SMU的電容容限規(guī)格，并介紹其在OLED、MOSFET、納米器件與電容泄漏測(cè)試中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供測(cè)試系統(tǒng)電容估算方法。

三同軸電纜電容

當(dāng)使用SMU強(qiáng)制電壓并測(cè)量低電流時(shí)，通常使用低噪聲同軸電纜在SMU和被測(cè)設(shè)備之間進(jìn)行連接。盡管其他來(lái)源也會(huì)影響測(cè)試連接電容，但長(zhǎng)三同軸電纜通常是輸出端子上附加電容的最常見(jiàn)來(lái)源。

如圖1所示，三同軸電纜有三根導(dǎo)線，在使用SMU進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮兩種不同的電容。如下圖所示，三個(gè)導(dǎo)體是信號(hào)導(dǎo)體（連接到HI）、內(nèi)部屏蔽( 連接到保護(hù)）和外部屏蔽（連接到LO）。該保護(hù)裝置消除了流經(jīng)電纜絕緣體的漏電流。

圖1. 三軸連接器的配置。

與4201-SMU和4211-SMU一起使用的三軸電纜的電容/儀表規(guī)格如下：

● 中心信號(hào)線（HI）和內(nèi)護(hù)罩（防護(hù)罩）之間：98pF/m

● 內(nèi)屏蔽（保護(hù)）和外屏蔽（LO）之間：330pF/m

注意：選擇三同軸電纜時(shí)，請(qǐng)使用規(guī)格與Keithley SMU提供的低噪聲三同軸電纜類(lèi)似的電纜。

圖2. 保護(hù)、屏蔽和負(fù)載電容的圖示。

SMU的最大電容規(guī)格

SMU的最大電容規(guī)格基于SMU輸出端三同軸連接器屏蔽之間的電容。圖2顯示了連接到SMU的保護(hù)、屏蔽和負(fù)載電容：

■保護(hù)電容：位于HI（中心信號(hào)線）和保護(hù)（內(nèi)部屏蔽）之間

■屏蔽電容：在保護(hù)裝置（屏蔽內(nèi)部）和強(qiáng)制低電平（屏蔽外部）之間

■負(fù)載電容：在HI（中心引腳）和LO（外部屏蔽）之間

表1列出了4201-SMU和4211-SMU的最大電容規(guī)格和測(cè)試系統(tǒng)電容的來(lái)源。

表1. 4201-SMU和4211-SMU的電容規(guī)格。

計(jì)算兩線和四線測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)電容

在計(jì)算連接到每個(gè)SMU的三同軸電纜電容時(shí)，必須確定從HI和感測(cè)HI到被測(cè)設(shè)備的電纜長(zhǎng)度，然后將它們加在一起，得到總電纜長(zhǎng)度。然后，使用三同軸電纜的電容 / 儀表規(guī)格來(lái)計(jì)算總電容。下圖3顯示了一個(gè)示例：DUT使用兩根15米的三同軸電纜Force和 Sense，以四線 ( 或遠(yuǎn)程傳感 ) 配置連接到4200A-SCS的SMU1。根據(jù)三同軸電纜的電容/米（pf/m）規(guī)格，兩條15米三同軸電纜的電容可以通過(guò)以下方程式計(jì)算得出：

● 保護(hù)電容 =98pF/m x 2 x 15m=2.9nF

● 屏蔽電容 =330pF/m×2×15m=9.9nF

圖3.使用15米三同軸電纜將DUT連接到SMU進(jìn)行力和傳感。

如果使用兩線或本地傳感配置進(jìn)行連接，則電纜電容可以計(jì)算為：

● 保護(hù)電容 =98pF/m x 15m=1.47nF

● 屏蔽電容 =330pF/m × 15m=5nF

除了同軸三線電纜，測(cè)試系統(tǒng)電容的其他來(lái)源包括接線板、開(kāi)關(guān)矩陣、探頭、卡盤(pán)和DUT。這些其他誤差來(lái)源將在以下部分的示例應(yīng)用中進(jìn)行討論。

需要提高最大電容規(guī)格的示例應(yīng)用

接下來(lái)的幾節(jié)提供了敏感的低電流應(yīng)用的示例，其中4201-SMU和4211-SMU用于進(jìn)行I-V測(cè)量。這些應(yīng)用包括：平板顯示器測(cè)試、使用長(zhǎng)電纜的nMOSFET傳輸特性、通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣的FET測(cè)試、納米FET上的Id-Vg曲線以及電容泄漏測(cè)量。

平板顯示器上的OLED像素器件

在平板顯示器OLED像素測(cè)試中，SMU常需通過(guò)12–16米的三同軸電纜和開(kāi)關(guān)矩陣連接至探針臺(tái)，這會(huì)顯著增加系統(tǒng)電容，影響低電流測(cè)量穩(wěn)定性。圖4顯示了Keithley S500測(cè)試平臺(tái)搭配4211-SMU，可有效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)電纜帶來(lái)的電容干擾，提升I-V曲線測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

例如，圖5顯示了OLED器件上兩條I-V曲線的飽和度（橙色曲線）和線性度（藍(lán)色曲線）的不穩(wěn)定性 —當(dāng)使用傳統(tǒng)的SMU通過(guò)16米的三同軸電纜連接到DUT進(jìn)行測(cè)量時(shí)。然而，當(dāng)使用4211-SMU在DUT的漏極端子上重復(fù)進(jìn)行這些I-V測(cè)量時(shí)，I-V曲線是穩(wěn)定的，如圖6所示。

圖4. 使用Keithley S500測(cè)試系統(tǒng)的平板顯示器測(cè)試配置。

圖5. 使用傳統(tǒng)SMU測(cè)量的OLED上的飽和度和線性 I-V曲線。

圖6. 使用4211-SMU測(cè)量的OLED上的飽和度和線性I-V曲線

nMOSFET的傳輸特性

n型MOSFET的Id-Vg曲線可以使用兩個(gè)SMU生成。一個(gè)SMU掃描柵極電壓，另一個(gè)SMU測(cè)量漏極電流。典型測(cè)試電路的電路圖如圖7所示，其中使用20米三同軸電纜將SMU連接到設(shè)備端子。

圖7. 使用兩個(gè)SMU來(lái)測(cè)量MOSFET的I-V特性。

圖8顯示了使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU和兩個(gè)4211-SMU測(cè)量的傳輸特性。藍(lán)色曲線（使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU拍攝）顯示了曲線中的振蕩，特別是在低電流水平和改變電流范圍時(shí)。使用兩個(gè)4211-SMU進(jìn)行的電流測(cè)量（紅色曲線）非常穩(wěn)定。

圖8. 使用傳統(tǒng)SMU和4211-SMU，使用20米三同軸電纜生成的nMOSFET Id-Vg曲線。

圖9. 通過(guò)707B開(kāi)關(guān)矩陣簡(jiǎn)化SMU與DUT的連接。

通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行FET測(cè)試

通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行FET器件測(cè)試時(shí)，總電纜長(zhǎng)度可達(dá)15米，系統(tǒng)電容顯著增大，易導(dǎo)致傳統(tǒng)SMU在nA級(jí)電流測(cè)量中產(chǎn)生振蕩，如圖9顯示了使用遠(yuǎn)程傳感的典型電路，該電路涉及通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的兩個(gè) SMU。

相較傳統(tǒng)SMU，4211-SMU憑借更高的電容容忍度，即使在高電容配置下也能提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的低電流測(cè)試，確保信號(hào)完整性和測(cè)量可靠性。如圖10所示，使用兩個(gè)傳統(tǒng)的 SMU（藍(lán)色曲線）和兩個(gè)4211-SMU（紅色曲線）生成了漏極電流與漏極電壓的曲線。測(cè)量漏極電流的傳統(tǒng)SMU在測(cè)量納安時(shí)似乎會(huì)振蕩（如藍(lán)色曲線所示）。然而，當(dāng)4211-SMU通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣測(cè)量FET的漏極電流時(shí)，測(cè)量結(jié)果是穩(wěn)定的（如紅色曲線所示）。

圖10. 使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU和兩個(gè)4211-SMU通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣測(cè)量的FET的Id-Vd曲線。

具有共柵和Chuck電容的納米FET

在測(cè)試納米FET與2D FET等高精度器件時(shí)，探針臺(tái)卡盤(pán)常引入數(shù)納法級(jí)電容，易影響低電流測(cè)量穩(wěn)定性，納米FET測(cè)試配置的典型電路圖如下圖11所示。Keithley 4201/4211-SMU具備出色的電容容忍能力，即使通過(guò)高電容卡盤(pán)連接?xùn)艠O或漏極，也能保持納安級(jí)測(cè)量的準(zhǔn)確與穩(wěn)定，特別適用于高要求的先進(jìn)材料研究場(chǎng)景。

圖11. 使用兩個(gè)SMU測(cè)試納米FET。

通過(guò)使用兩個(gè)傳統(tǒng)的 SMU 連接到 2DFET 的柵極和漏極，產(chǎn)生了如圖12所示的噪聲 Id-Vg 遲滯曲線。然而，當(dāng)兩個(gè) 4211-SMU 連接到同一器件的柵極和漏極時(shí)，產(chǎn)生的磁滯曲線平滑而穩(wěn)定，如圖13所示。

圖12. 用傳統(tǒng)SMU測(cè)量的2D FET的Id-Vg磁滯曲線。

圖13. 用兩個(gè)4211-SMU測(cè)量的Id-Vg磁滯曲線。

電容泄漏

電容泄漏是通過(guò)向被測(cè)電容施加固定電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量的。漏電流會(huì)隨著時(shí)間呈指數(shù)衰減，因此通常需要在測(cè)量電流之前，在已知時(shí)間內(nèi)施加電壓。根據(jù)被測(cè)設(shè)備，測(cè)量的電流通常非常小（通常<10nA）。使用SMU測(cè)量電容泄漏的電路圖如下圖14所示。建議使用電路中的串聯(lián)二極管來(lái)降低測(cè)量噪聲。有關(guān)源電容如何影響反饋安培計(jì)噪聲性能的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱《吉時(shí)利第7版低電平測(cè)量手冊(cè)》第2.3.3節(jié)“噪聲和源阻抗”。

圖14. 使用SMU和串聯(lián)二極管測(cè)量電容漏電。

圖15顯示了用4201-SMU測(cè)量的100nF電容的漏電流與時(shí)間的圖。由于最大負(fù)載電容規(guī)格的增加，4201-SMU和4211-SMU在測(cè)量電容漏電時(shí)更加穩(wěn)定，但對(duì)串聯(lián)二極管的需求將取決于電容的絕緣電阻和大小以及電流測(cè)量范圍。可能需要一些實(shí)驗(yàn)。

圖15. 用4201-SMU測(cè)量的100nF電容的漏電流與時(shí)間的關(guān)系。

結(jié)論

吉時(shí)利 201-SMU中功率SMU和4211-SMU高功率SMU是理想的電壓源，可在設(shè)備和材料上進(jìn)行非常靈敏（