在电子器件和材料的测试领域，对其电流 - 电压（I - V）特性进行准确表征至关重要。源测量单元（SMU）作为一种可同时输出和测量电压、电流的仪器，在器件与材料的 I - V 特性表征中得到了广泛应用，尤其在低电流测量方面表现出色。然而，当测试系统中存在长电缆或高寄生电容时，部分 SMU 可能会因无法容忍负载电容而出现读数噪声或振荡的问题。
Keithley 4201 - SMU（中功率）与 4211 - SMU（高功率，支持 4200 - PA 前置放大器）则是专门为高电容连接设计的 SMU，即便在严苛的测试条件下，也能够实现稳定的低电流测试。这两款 SMU 作为 4200A - SCS 参数分析仪的模块，可通过 Clarius + 软件实现交互控制。接下来，我们将详细阐述这两款 SMU 的电容容限规格，并介绍其在 OLED、MOSFET、纳米器件与电容泄漏测试中的应用优势，同时提供测试系统电容的估算方法。
在使用 SMU 强制电压并测量低电流时，通常会采用低噪声同轴电缆来连接 SMU 和被测设备。尽管测试连接电容还会受到其他因素的影响，但长三同轴电缆往往是输出端子上附加电容的主要来源。
三同轴电缆具有三根导线，在使用 SMU 进行测试系统设计时，需要考虑两种不同的电容。如图 1 所示，三个导体分别为信号导体（连接到 HI）、内部屏蔽（连接到保护）和外部屏蔽（连接到 LO）。其中，保护装置能够消除流经电缆绝缘体的漏电流。
图 1. 三轴连接器的配置
与 4201 - SMU 和 4211 - SMU 一起使用的三轴电缆的电容 / 仪表规格如下：
- 中心信号线（HI）和内护罩（防护罩）之间：98pF/m；
- 内屏蔽（保护）和外屏蔽（LO）之间：330pF/m。
需要注意的是，在选择三同轴电缆时，应使用规格与 Keithley SMU 提供的低噪声三同轴电缆类似的电缆。
图 2. 保护、屏蔽和负载电容的图示
SMU 的电容规格是基于 SMU 输出端三同轴连接器屏蔽之间的电容。图 2 展示了连接到 SMU 的保护、屏蔽和负载电容：
- 保护电容：位于 HI（中心信号线）和保护（内部屏蔽）之间；
- 屏蔽电容：在保护装置（屏蔽内部）和强制低电平（屏蔽外部）之间；
- 负载电容：在 HI（中心引脚）和 LO（外部屏蔽）之间。
表 1 列出了 4201 - SMU 和 4211 - SMU 的电容规格和测试系统电容的来源。
表 1. 4201 - SMU 和 4211 - SMU 的电容规格
在计算连接到每个 SMU 的三同轴电缆电容时，首先要确定从 HI 和感测 HI 到被测设备的电缆长度，然后将它们相加，得到总电缆长度。接着，利用三同轴电缆的电容 / 仪表规格来计算总电容。
例如，图 3 展示了一个示例：DUT 使用两根 15 米的三同轴电缆 Force 和 Sense，以四线（或远程传感）配置连接到 4200A - SCS 的 SMU1。根据三同轴电缆的电容 / 米（pf/m）规格，两条 15 米三同轴电缆的电容可以通过以下方程式计算得出：
- 保护电容 = 98pF/m x 2 x 15m = 2.9nF；
- 屏蔽电容 = 330pF/m×2×15m = 9.9nF。
图 3. 使用 15 米三同轴电缆将 DUT 连接到 SMU 进行力和传感
如果使用两线或本地传感配置进行连接，则电缆电容可以计算为：
- 保护电容 = 98pF/m x 15m = 1.47nF；
- 屏蔽电容 = 330pF/m × 15m = 5nF。
除了同轴三线电缆，测试系统电容的其他来源还包括接线板、开关矩阵、探头、卡盘和 DUT 等。这些其他误差来源将在后续的示例应用中进行详细讨论。
接下来，我们将通过几个敏感的低电流应用示例，展示 4201 - SMU 和 4211 - SMU 在进行 I - V 测量时的优势。这些应用包括平板显示器测试、使用长电缆的 nMOSFET 传输特性、通过开关矩阵的 FET 测试、纳米 FET 上的 Id - Vg 曲线以及电容泄漏测量。
在平板显示器 OLED 像素测试中，SMU 通常需要通过 12 - 16 米的三同轴电缆和开关矩阵连接至探针台，这会显著增加系统电容，从而影响低电流测量的稳定性。图 4 展示了 Keithley S500 测试平台搭配 4211 - SMU 的测试配置，该配置能够有效应对长电缆带来的电容干扰，提升 I - V 曲线测量的准确性和重复性。
例如，图 5 展示了使用传统的 SMU 通过 16 米的三同轴电缆连接到 DUT 进行测量时，OLED 器件上两条 I - V 曲线的饱和度（橙色曲线）和线性度（蓝色曲线）的不稳定性。然而，当使用 4211 - SMU 在 DUT 的漏极端子上重复进行这些 I - V 测量时，I - V 曲线变得稳定，如图 6 所示。
图 4. 使用 Keithley S500 测试系统的平板显示器测试配置
图 5. 使用传统 SMU 测量的 OLED 上的饱和度和线性 I - V 曲线
图 6. 使用 4211 - SMU 测量的 OLED 上的饱和度和线性 I - V 曲线
n 型 MOSFET 的 Id - Vg 曲线可以使用两个 SMU 来生成。一个 SMU 用于扫描栅极电压，另一个 SMU 用于测量漏极电流。典型测试电路的电路图如图 7 所示，其中使用 20 米三同轴电缆将 SMU 连接到设备端子。
图 8 展示了使用两个传统 SMU 和两个 4211 - SMU 测量的传输特性。蓝色曲线（使用两个传统 SMU 测量）显示了曲线中的振荡，特别是在低电流水平和改变电流范围时。而使用两个 4211 - SMU 进行的电流测量（红色曲线）则非常稳定。
图 7. 使用两个 SMU 来测量 MOSFET 的 I - V 特性
图 8. 使用传统 SMU 和 4211 - SMU，使用 20 米三同轴电缆生成的 nMOSFET Id - Vg 曲线
在通过开关矩阵进行 FET 器件测试时，总电缆长度可达 15 米，这会显著增大系统电容，容易导致传统 SMU 在 nA 级电流测量中产生振荡。图 9 展示了使用远程传感的典型电路，该电路涉及通过开关矩阵连接的两个 SMU。
与传统 SMU 相比，4211 - SMU 凭借更高的电容容忍度，即使在高电容配置下也能提供稳定、准确的低电流测试，确保信号完整性和测量可靠性。如图 10 所示，使用两个传统的 SMU（蓝色曲线）和两个 4211 - SMU（红色曲线）生成了漏极电流与漏极电压的曲线。测量漏极电流的传统 SMU 在测量纳安时会出现振荡（如蓝色曲线所示），而当 4211 - SMU 通过开关矩阵测量 FET 的漏极电流时，测量结果则非常稳定（如红色曲线所示）。
图 9. 通过 707B 开关矩阵简化 SMU 与 DUT 的连接
图 10. 使用两个传统 SMU 和两个 4211 - SMU 通过开关矩阵测量的 FET 的 Id - Vd 曲线
在测试纳米 FET 与 2D FET 等高精度器件时，探针台卡盘常常会引入数纳法级电容，这容易影响低电流测量的稳定性。图 11 展示了纳米 FET 测试配置的典型电路图。
Keithley 4201/4211 - SMU 具备出色的电容容忍能力，即使通过高电容卡盘连接栅极或漏极，也能保持纳安级测量的准确与稳定，特别适用于高要求的先进材料研究场景。
例如，图 12 展示了使用两个传统的 SMU 连接到 2D FET 的栅极和漏极时，产生的噪声 Id - Vg 迟滞曲线。而当使用两个 4211 - SMU 连接到同一器件的栅极和漏极时，产生的磁滞曲线平滑而稳定，如图 13 所示。
图 11. 使用两个 SMU 测试纳米 FET
图 12. 用传统 SMU 测量的 2D FET 的 Id - Vg 磁滞曲线
图 13. 用两个 4211 - SMU 测量的 Id - Vg 磁滞曲线
电容泄漏是通过向被测电容施加固定电压并测量产生的电流来进行测量的。漏电流会随着时间呈指数衰减，因此通常需要在测量电流之前，在已知时间内施加电压。根据被测设备的不同，测量的电流通常非常小（通常 <10nA）。图 14 展示了使用 SMU 测量电容泄漏的电路图，建议在电路中使用串联二极管来降低测量噪声。有关源电容如何影响反馈安培计噪声性能的更多详细信息，请参阅《吉时利第 7 版低电平测量手册》第 2.3.3 节 “噪声和源阻抗”。
图 15 展示了用 4201 - SMU 测量的 100nF 电容的漏电流与时间的关系。由于负载电容规格的增加，4201 - SMU 和 4211 - SMU 在测量电容漏电时更加稳定，但对串联二极管的需求将取决于电容的绝缘电阻和大小以及电流测量范围，可能需要进行一些实验来确定。
图 14. 使用 SMU 和串联二极管测量电容漏电
图 15. 用 4201 - SMU 测量的 100nF 电容的漏电流与时间的关系
