【4200 SMU應(yīng)用文章】之實(shí)例篇：高測(cè)試連接電容下穩(wěn)定測(cè)試弱電流

源測(cè)量單元(SMU)是一種可以提供電流或電壓，并測(cè)量電流和電壓的儀器。SMU用來(lái)對(duì)各種器件和材料進(jìn)行I-V表征，是為測(cè)量非常靈敏的弱電流，同時(shí)提供或掃描DC電壓而設(shè)計(jì)的。但是，在擁有長(zhǎng)電纜或其他高電容測(cè)試連接的測(cè)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(jìn)行穩(wěn)定的弱電流測(cè)量，包括在高測(cè)試連接電容的應(yīng)用中也非常穩(wěn)定，例如使用非常長(zhǎng)的三芯同軸電纜來(lái)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(jìn)行交互控制。

本文探討了4201-SMU和4211-SMU可以進(jìn)行穩(wěn)定的弱電流測(cè)量的多種應(yīng)用實(shí)例，包括測(cè)試：平板顯示器上的OLED像素器件、長(zhǎng)電纜MOSFET傳遞特點(diǎn)、通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET、卡盤上的納米FET I-V測(cè)量、電容器泄漏測(cè)量。

實(shí)例1：平板顯示器上的OLED像素器件測(cè)試

在測(cè)量平板顯示器上的OLED像素器件的I-V曲線時(shí)，通常會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣把SMU連接到LCD探測(cè)站上，這時(shí)會(huì)采用非常長(zhǎng)的三芯同軸電纜(一般在12-16m)。圖1是采用Keithley S500測(cè)試系統(tǒng)的典型的平板顯示器測(cè)試配置。S500是一種自動(dòng)參數(shù)測(cè)試儀，它可以量身定制，通常用來(lái)測(cè)試平板顯示器。對(duì)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(cè)站，然后探測(cè)卡再把測(cè)試信號(hào)連接到玻璃平板上的DUT。由于使用非常長(zhǎng)的電纜進(jìn)行連接，所以如果測(cè)量技術(shù)和儀器使用不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致弱電流測(cè)量不穩(wěn)定。 

例如，如圖2示，在使用傳統(tǒng)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(cè)量時(shí)，I-V曲線穩(wěn)定了，如圖3所示。

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

圖2.傳統(tǒng)SMU測(cè)得OLED飽和及線性I-V曲線。

圖3. 4211-SMU測(cè)得OLED的飽和及線性I-V曲線。

實(shí)例2：長(zhǎng)電纜nMOSFET傳遞特點(diǎn)測(cè)試

可以使用兩個(gè)SMU生成n型MOSFET的Id-Vg曲線。一個(gè)SMU掃描柵極電壓，另一個(gè)SMU測(cè)量漏極電流。圖4是典型測(cè)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(cè)量MOSFET的I-V特點(diǎn)。

圖5顯示了使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU及使用兩個(gè)4211-SMU測(cè)量的傳遞特點(diǎn)。藍(lán)色曲線(使用兩個(gè)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(shí)。紅色曲線是使用兩個(gè)4211-SMU得到的電流測(cè)量，非常穩(wěn)定。

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

實(shí)例3：通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET測(cè)試

測(cè)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(zhàn)，因?yàn)橐箢~外的線纜。三芯同軸電纜用來(lái)把SMU連接到開(kāi)關(guān)矩陣上，再?gòu)拈_(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(yuǎn)程傳感連接開(kāi)關(guān)矩陣。使用遠(yuǎn)程傳感(4線測(cè)量)而不是本地傳感(2線測(cè)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(gè)SMU到DUT的三芯同軸電纜的總長(zhǎng)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(jì)算測(cè)試系統(tǒng)總電容時(shí)可能需要包括進(jìn)去。

在測(cè)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(tǒng)SMU的結(jié)果明顯改善。在這項(xiàng)測(cè)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(cè)量得到的漏極電流。使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU (藍(lán)色曲線)和兩個(gè)4211-SMU (紅色曲線)生成的漏極電流相對(duì)于漏極電壓關(guān)系曲線如圖7所示。在進(jìn)行毫微安培測(cè)量時(shí)，使用傳統(tǒng)SMU測(cè)量漏極電流會(huì)出現(xiàn)振蕩(如藍(lán)色曲線所示)。而在使用4211-SMU測(cè)量通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET的漏極電流時(shí)，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定(如紅色曲線所示)。

圖7. 使用兩個(gè)傳統(tǒng)SMU及兩個(gè)4211-SMU測(cè)量通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣連接的FET的Id-Vd曲線對(duì)比。

實(shí)例4：擁有公共柵極和卡盤電容的納米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(wěn)定的弱電流測(cè)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(cè)站卡盤接觸SMU。圖8是納米FET測(cè)試配置的典型電路圖。在這個(gè)實(shí)例中，一個(gè)SMU通過(guò)卡盤連接到柵極端子?？ūP的電容最高達(dá)幾毫微法拉第，可以由探測(cè)站制造商驗(yàn)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。

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(cè)站制造商而定。同軸電纜卡盤在測(cè)試電路中表示為負(fù)載電容，因?yàn)檫@個(gè)電容出現(xiàn)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則表示為電纜電容。

圖8. 使用兩個(gè)SMU測(cè)試納米FET。

在使用兩個(gè)傳統(tǒng)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，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)，得到的磁滯曲線是平滑穩(wěn)定的，如圖10所示。

圖9.傳統(tǒng)SMU測(cè)得的2D FET Id-Vg磁滯曲線。

圖10. 4211-SMU測(cè)得的Id-Vg磁滯曲線。

實(shí)例5：電容器泄漏

在測(cè)量電容器泄漏時(shí)，需要對(duì)被測(cè)電容器應(yīng)用一個(gè)固定電壓，然后測(cè)量得到的電流。泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間呈指數(shù)級(jí)衰落，因此通常需要以已知時(shí)間周期應(yīng)用電壓，然后再測(cè)量電流。視被測(cè)的器件，測(cè)得的電流一般會(huì)非常小(通常<10nA)。圖11是使用SMU測(cè)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(cè)量噪聲。

圖11. 使用SMU和串聯(lián)二極管測(cè)量電容器泄漏。

圖12是使用4201-SMU測(cè)量的100nF電容器的泄漏電流相對(duì)于時(shí)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(cè)量電容器泄漏時(shí)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(cè)量范圍。這可能需要做一些實(shí)驗(yàn)。

圖12. 使用4201-SMU測(cè)得的100nF電容器的泄漏電流相對(duì)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(cè)量提供了理想的解決方案。這些SMU特別適合在擁有高測(cè)試連接電容的測(cè)試電路中進(jìn)行穩(wěn)定的弱電流測(cè)量。與其他靈敏的SMU相比，其最大電容指標(biāo)已經(jīng)提高。