面向高电容连接的低电流I-V表征测试方案-电子发烧友网

介绍

源测量单元（SMU）可同时输出和测量电压、电流，广泛用于器件与材料的I-V特性表征，尤其擅长低电流测量。在测试系统中存在长电缆或高寄生电容的情况下，部分SMU可能因无法容忍负载电容而产生读数噪声或振荡。

Keithley 4201-SMU（中功率）与4211-SMU（高功率，支持4200-PA前置放大器）专为高电容连接设计，即使在严苛条件下也能实现稳定的低电流测试。它们作为4200A-SCS参数分析仪的模块，并通过 Clarius+ 软件实现交互控制。

本应用指南将阐述这两款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估算方法。

三同轴电缆电容

当使用SMU强制电压并测量低电流时，通常使用低噪声同轴电缆在SMU和被测设备之间进行连接。尽管其他来源也会影响测试连接电容，但长三同轴电缆通常是输出端子上附加电容的最常见来源。

如图1所示，三同轴电缆有三根导线，在使用SMU进行测试系统设计时需要考虑两种不同的电容。如下图所示，三个导体是信号导体（连接到HI）、内部屏蔽( 连接到保护）和外部屏蔽（连接到LO）。该保护装置消除了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

注意：选择三同轴电缆时，请使用规格与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的最大电容规格

SMU的最大电容规格基于SMU输出端三同轴连接器屏蔽之间的电容。图2显示了连接到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的最大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。

计算两线和四线测量测试系统电容

在计算连接到每个SMU的三同轴电缆电容时，必须确定从HI和感测HI到被测设备的电缆长度，然后将它们加在一起，得到总电缆长度。然后，使用三同轴电缆的电容 / 仪表规格来计算总电容。下图3显示了一个示例：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包括接线板、开关矩阵、探头、卡盘和DUT。这些其他误差来源将在以下部分的示例应用中进行讨论。

需要提高最大电容规格的示例应用

接下来的几节提供了敏感的低电流应用的示例，其中4201-SMU和4211-SMU用于进行I-V测量。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。

平板显示器上的OLED像素器件

在平板显示器OLED像素测试中，SMU常需通过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，影响低电流测量稳定性。图4显示了Keithley S500测试平台搭配4211-SMU，可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显示了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 —当使用传统的SMU通过16米的三同轴电缆连接到DUT进行测量时。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曲线是稳定的，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

nMOSFET的传输特性

n型MOSFET的Id-Vg曲线可以使用两个SMU生成。一个SMU扫描栅极电压，另一个SMU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7. 使用两个SMU来测量MOSFET的I-V特性。

图8显示了使用两个传统SMU和两个4211-SMU测量的传输特性。蓝色曲线（使用两个传统SMU拍摄）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。使用两个4211-SMU进行的电流测量（红色曲线）非常稳定。

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。

图9. 通过707B开关矩阵简化SMU与DUT的连接。

通过开关矩阵进行FET测试

通过开关矩阵进行FET器件测试时，总电缆长度可达15米，系统电容显著增大，易导致传统SMU在nA级电流测量中产生振荡，如图9显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。

相较传统SMU，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在测量纳安时似乎会振荡（如蓝色曲线所示）。然而，当4211-SMU通过开关矩阵测量FET的漏极电流时，测量结果是稳定的（如红色曲线所示）。

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。

具有共栅和Chuck电容的纳米FET

在测试纳米FET与2D FET等高精度器件时，探针台卡盘常引入数纳法级电容，易影响低电流测量稳定性，纳米FET测试配置的典型电路图如下图11所示。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。

图11. 使用两个SMU测试纳米FET。

通过使用两个传统的 SMU 连接到 2DFET 的栅极和漏极，产生了如图12所示的噪声 Id-Vg 迟滞曲线。然而，当两个 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

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，测量的电流通常非常小（通常<10nA）。使用SMU测量电容泄漏的电路图如下图14所示。建议使用电路中的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”。