【4200 SMU应用文章】之实例篇：高测试连接电容下稳定测试弱电流

作者：泰克科技

源测量单元（SMU）是一种可以提供电流或电压，并测量电流和电压的仪器。SMU用来对各种器件和材料进行I-V表征，是为测量非常灵敏的弱电流，同时提供或扫描DC电压而设计的。但是，在拥有长电缆或其他高电容测试连接的测试系统中，某些SMU可能不能在输出上容忍这样的电容，从而产生有噪声的读数和/或振荡。

4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU（选配4200-PA前置放大器）可以进行稳定的弱电流测量，包括在高测试连接电容的应用中也非常稳定，例如使用非常长的三芯同轴电缆来连接器件的应用。与其他灵敏的SMU相比，4201-SMU和4211-SMU的最大电容指标已经提高，这些SMU模块用于可配置的Model 4200A-SCS参数分析仪，使用Clarius+软件进行交互控制。

本文探讨了4201-SMU和4211-SMU可以进行稳定的弱电流测量的多种应用实例，包括测试：平板显示器上的OLED像素器件、长电缆MOSFET传递特点、通过开关矩阵连接的FET、卡盘上的纳米FET I-V测量、电容器泄漏测量。

实例1：平板显示器上的OLED像素器件测试

在测量平板显示器上的OLED像素器件的I-V曲线时，通常会通过开关矩阵把SMU连接到LCD探测站上，这时会采用非常长的三芯同轴电缆（一般在12-16m）。图1是采用Keithley S500测试系统的典型的平板显示器测试配置。S500是一种自动参数测试仪，它可以量身定制，通常用来测试平板显示器。对图中所示的情况，S500中的SMU通过开关矩阵连接到探测站，然后探测卡再把测试信号连接到玻璃平板上的DUT。由于使用非常长的电缆进行连接，所以如果测量技术和仪器使用不当，就会导致弱电流测量不稳定。

例如，如图2示，在使用传统SMU通过16m三芯同轴电缆连接到DUT上时，OLED器件两个I-V曲线中的饱和曲线（橙色曲线）和线性曲线（蓝色曲线）都不稳定。但是，使用4211-SMU在DUT的漏极端子上重复这些I-V测量时，I-V曲线稳定了，如图3所示。

图1. 使用Keithley S500测试系统测试平板显示器的配置图

图2.传统SMU测得OLED饱和及线性I-V曲线。 图3. 4211-SMU测得OLED的饱和及线性I-V曲线。

实例2：长电缆nMOSFET传递特点测试

可以使用两个SMU生成n型MOSFET的Id-Vg曲线。一个SMU扫描栅极电压，另一个SMU测量漏极电流。图4是典型测试电路的电路示意图，其中使用20m三芯同轴电缆把SMU连接到器件端子上。

图4. 使用两个SMU测量MOSFET的I-V特点。

图5显示了使用两个传统SMU及使用两个4211-SMU测量的传递特点。蓝色曲线（使用两个传统SMU获得）在曲线中显示了振荡，特别是在弱电流及改变电流范围时。红色曲线是使用两个4211-SMU得到的电流测量，非常稳定。

图5. 使用传统SMU和4211-SMU及20 m三芯同轴电缆生成的nMOSFET Id-Vg曲线。

实例3：通过开关矩阵连接的FET测试

测试通过开关矩阵连接的器件时，可能会面临很大挑战，因为要求额外的线缆。三芯同轴电缆用来把SMU连接到开关矩阵上，再从开关矩阵连接到DUT。图6显示了典型的电路图，其中两个SMU使用远程传感连接开关矩阵。使用远程传感（4线测量）而不是本地传感（2线测量），要求每个SMU连接两条电缆，由于电缆是平行的，所以这会使SMU输出的电容提高一倍。

图6. 通过707B开关矩阵把SMU连接到DUT的简化示意图。

在这种情况下，SMU使用2m电缆连接到开关矩阵的行（输入）上；开关矩阵的列（输出）使用5m电缆连接到配线架上。然后再使用另一条1m电缆从配线架连接到探头，所以从一个SMU到DUT的三芯同轴电缆的总长度是： （2 x 2 m） + （2 x 5 m） + （1 m） = 15 m。除了三芯同轴电缆外，开关矩阵本身也增加了电容，在计算测试系统总电容时可能需要包括进去。

在测量通过开关矩阵连接的FET器件的输出特点时，使用两个4211-SMU较使用两个传统SMU的结果明显改善。在这项测试中，其中一个SMU被偏置恒定栅极电压，另一个SMU扫描漏极电压，测量得到的漏极电流。使用两个传统SMU （蓝色曲线）和两个4211-SMU （红色曲线）生成的漏极电流相对于漏极电压关系曲线如图7所示。在进行毫微安培测量时，使用传统SMU测量漏极电流会出现振荡（如蓝色曲线所示）。而在使用4211-SMU测量通过开关矩阵连接的FET的漏极电流时，测量结果稳定（如红色曲线所示）。

图7. 使用两个传统SMU及两个4211-SMU测量通过开关矩阵连接的FET的Id-Vd曲线对比。

实例4：拥有公共栅极和卡盘电容的纳米FET

通过使用4201-SMU和4211-SMU，可以在纳米FET和2D FTE上进行稳定的弱电流测量。这些FET及其他器件有时会有一个器件端子通过探测站卡盘接触SMU。图8是纳米FET测试配置的典型电路图。在这个实例中，一个SMU通过卡盘连接到栅极端子。卡盘的电容最高达几毫微法拉第，可以由探测站制造商验证。在某些情况下，可能必需使用卡盘顶部的传导垫接触栅极。

SMU可以使用同轴电缆或三芯同轴电缆连接到卡盘上，具体视探测站制造商而定。同轴电缆卡盘在测试电路中表示为负载电容，因为这个电容出现在SMU的Force HI与Force LO之间，如图中所示的实例。而带有三芯同轴电缆的卡盘则表示为电缆电容。

图8. 使用两个SMU测试纳米FET。

在使用两个传统SMU连接2D FET的栅极和漏极时，会产生有噪声的Id-Vg磁滞曲线，如图9所示。但是，在使用4211-SMU连接同一器件的栅极和漏极时，得到的磁滞曲线是平滑稳定的，如图10所示。

图9.传统SMU测得的2D FET Id-Vg磁滞曲线。 图10. 4211-SMU测得的Id-Vg磁滞曲线。

实例5：电容器泄漏

在测量电容器泄漏时，需要对被测电容器应用一个固定电压，然后测量得到的电流。泄漏电流会随着时间呈指数级衰落，因此通常需要以已知时间周期应用电压，然后再测量电流。视被测的器件，测得的电流一般会非常小（通常《10nA）。图11是使用SMU测量电容器泄漏的电路图。推荐在电路中使用串联二极管，以降低测量噪声。

图11. 使用SMU和串联二极管测量电容器泄漏。

图12是使用4201-SMU测量的100nF电容器的泄漏电流相对于时间关系图。由于提高了最大负载电容指标，4201-SMU和4211-SMU在测量电容器泄漏时比较稳定，但是否需要串联二极管，则取决于电容器的绝缘电阻和幅度及电流测量范围。这可能需要做一些实验。

图12. 使用4201-SMU测得的100nF电容器的泄漏电流相对于时间关系图。

Keithley 4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU为在各种器件和材料上提供电压、进行非常灵敏（《nA）弱电流测量提供了理想的解决方案。这些SMU特别适合在拥有高测试连接电容的测试电路中进行稳定的弱电流测量。与其他灵敏的SMU相比，其最大电容指标已经提高。