高测试连接电容下稳定测试弱电流

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image002.jpg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。
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　　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)。
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　　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。
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　　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。
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　　图9.传统SMU测得的2D FET Id-Vg磁滞曲线。
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　　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。
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　　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。
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　　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。