源測量單元(SMU)是一種可以提供電流或電壓，并測量電流和電壓的儀器。SMU用來對各種器件和材料進行I-V表征，是為測量非常靈敏的弱電流，同時提供或掃描DC電壓而設計的。但是，在擁有長電纜或其他高電容測試連接的測試系統中，某些SMU可能不能在輸出上容忍這樣的電容，從而產生有噪聲的讀數和/或振蕩。
泰克日前為Keithley 4200A-SCS參數分析儀推出兩款最新源測量單元(SMU)模塊。
4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU(選配4200-PA前置放大器)可以進行穩定的弱電流測量，包括在高測試連接電容的應用中也非常穩定，例如使用非常長的三芯同軸電纜來連接器件的應用。與其他靈敏的SMU相比，4201-SMU和4211-SMU的最大電容指標已經提高，這些SMU模塊用于可配置的Model 4200A-SCS參數分析儀，使用Clarius+軟件進行交互控制。
本文探討了4201-SMU和4211-SMU可以進行穩定的弱電流測量的多種應用實例，包括測試：平板顯示器上的OLED像素器件、長電纜MOSFET傳遞特點、通過開關矩陣連接的FET、卡盤上的納米FET I-V測量、電容器泄漏測量。
實例1：平板顯示器上的OLED像素器件測試
在測量平板顯示器上的OLED像素器件的I-V曲線時，通常會通過開關矩陣把SMU連接到LCD探測站上，這時會采用非常長的三芯同軸電纜(一般在12-16m)。
圖1是采用Keithley S500測試系統的典型的平板顯示器測試配置。S500是一種自動參數測試儀，它可以量身定制，通常用來測試平板顯示器。對圖中所示的情況，S500中的SMU通過開關矩陣連接到探測站，然后探測卡再把測試信號連接到玻璃平板上的DUT。由于使用非常長的電纜進行連接，所以如果測量技術和儀器使用不當，就會導致弱電流測量不穩定。
圖1. 使用Keithley S500測試系統測試平板顯示器的配置圖
如圖2示，在使用傳統SMU通過16m三芯同軸電纜連接到DUT上時，OLED器件兩個I-V曲線中的飽和曲線(橙色曲線)和線性曲線(藍色曲線)都不穩定。但是，使用4211-SMU在DUT的漏極端子上重復這些I-V測量時，I-V曲線穩定了，如圖3所示。
圖2.傳統SMU測得OLED飽和及線性I-V曲線 圖3. 4211-SMU測得OLED的飽和及線性I-V曲線
實例2：長電纜nMOSFET傳遞特點測試
可以使用兩個SMU生成n型MOSFET的Id-Vg曲線。一個SMU掃描柵極電壓，另一個SMU測量漏極電流。圖4是典型測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SMU測量MOSFET的I-V特點
圖5顯示了使用兩個傳統SMU及使用兩個4211-SMU測量的傳遞特點。藍色曲線(使用兩個傳統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。紅色曲線是使用兩個4211-SMU得到的電流測量，非常穩定。
圖5. 使用傳統SMU和4211-SMU及20m三芯同軸電纜生成的nMOSFET Id-Vg曲線
實例3：通過開關矩陣連接的FET測試
測試通過開關矩陣連接的器件時，可能會面臨很大挑戰，因為要求額外的線纜。三芯同軸電纜用來把SMU連接到開關矩陣上，再從開關矩陣連接到DUT。圖6顯示了典型的電路圖，其中兩個SMU使用遠程傳感連接開關矩陣。使用遠程傳感(4線測量)而不是本地傳感(2線測量)，要求每個SMU連接兩條電纜，由于電纜是平行的，所以這會使SMU輸出的電容提高一倍。
圖6. 通過707B開關矩陣把SMU連接到DUT的簡化示意圖
在這種情況下，SMU使用2m電纜連接到開關矩陣的行(輸入)上；開關矩陣的列(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SMU到DUT的三芯同軸電纜的總長度是：(2 x 2 m) + (2 x 5 m) + (1 m) = 15 m。除了三芯同軸電纜外，開關矩陣本身也增加了電容，在計算測試系統總電容時可能需要包括進去。
在測量通過開關矩陣連接的FET器件的輸出特點時，使用兩個4211-SMU較使用兩個傳統SMU的結果明顯改善。在這項測試中，其中一個SMU被偏置恒定柵極電壓，另一個SMU掃描漏極電壓，測量得到的漏極電流。使用兩個傳統SMU (藍色曲線)和兩個4211-SMU (紅色曲線)生成的漏極電流相對于漏極電壓關系曲線如圖7所示。
>>> 在進行毫微安培測量時，使用傳統SMU測量漏極電流會出現振蕩(如藍色曲線所示)。而在使用4211-SMU測量通過開關矩陣連接的FET的漏極電流時，測量結果穩定(如紅色曲線所示)。
圖7. 使用兩個傳統SMU及兩個4211-SMU測量通過開關矩陣連接的FET的Id-Vd曲線對比
實例4：擁有公共柵極和卡盤電容的納米FET
通過使用4201-SMU和4211-SMU，可以在納米FET和2D FTE上進行穩定的弱電流測量。這些FET及其他器件有時會有一個器件端子通過探測站卡盤接觸SMU。圖8是納米FET測試配置的典型電路圖。在這個實例中，一個SMU通過卡盤連接到柵極端子。卡盤的電容最高達幾毫微法拉第，可以由探測站制造商驗證。在某些情況下，可能必需使用卡盤頂部的傳導墊接觸柵極。
圖8. 使用兩個SMU測試納米FET
SMU可以使用同軸電纜或三芯同軸電纜連接到卡盤上，具體視探測站制造商而定。同軸電纜卡盤在測試電路中表示為負載電容，因為這個電容出現在SMU的Force HI與Force LO之間，如圖中所示的實例。而帶有三芯同軸電纜的卡盤則表示為電纜電容。
圖9.傳統SMU測得的2D FET Id-Vg磁滯曲線 圖10. 4211-SMU測得的Id-Vg磁滯曲線
在使用兩個傳統SMU連接2D FET的柵極和漏極時，會產生有噪聲的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，得到的磁滯曲線是平滑穩定的，如圖10所示。
實例5：電容器泄漏
在測量電容器泄漏時，需要對被測電容器應用一個固定電壓，然后測量得到的電流。泄漏電流會隨著時間呈指數級衰落，因此通常需要以已知時間周期應用電壓，然后再測量電流。視被測的器件，測得的電流一般會非常小(通常<10nA)。圖11是使用SMU測量電容器泄漏的電路圖。推薦在電路中使用串聯二極管，以降低測量噪聲。
圖11. 使用SMU和串聯二極管測量電容器泄漏。
圖12是使用4201-SMU測量的100nF電容器的泄漏電流相對于時間關系圖。由于提高了最大負載電容指標，4201-SMU和4211-SMU在測量電容器泄漏時比較穩定，但是否需要串聯二極管，則取決于電容器的絕緣電阻和幅度及電流測量范圍。這可能需要做一些實驗。
圖12. 使用兩個SMU測量MOSFET的I-V特點
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、進行非常靈敏(
