稳定弱电流测量的利器应用篇

发布时间:2020年02月13日 09:02    发布者:安泰Agitek

稳定弱电流测量的利器应用篇

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。

泰克日前为Keithley 4200A-SCS参数分析仪推出两款最新源测量单元(SMU)模块。

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。

本篇和大家探讨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。

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图1. 使用Keithley S500测试系统测试平板显示器的配置图

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。

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图2.传统SMU测得OLED饱和及线性I-V曲线

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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。

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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。

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图5. 使用传统SMU和4211-SMU及20m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) + (1m) = 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

以上给大家介绍了SMU测量单元应用实例,安泰测试作为泰克代理商,致力于和泰克一起为广大工程师提供更好的仪器和服务,想要了解更多请关注安泰测试。


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