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介紹

源測量單元（SMU）可同時輸出和測量電壓、電流，廣泛用于器件與材料的I-V特性表征，尤其擅長低電流測量。在測試系統中存在長電纜或高寄生電容的情況下，部分SMU可能因無法容忍負載電容而產生讀數噪聲或振蕩。

Keithley 4201-SMU（中功率）與4211-SMU（高功率，支持4200-PA前置放大器）專為高電容連接設計，即使在嚴苛條件下也能實現穩定的低電流測試。它們作為4200A-SCS參數分析儀的模塊，并通過 Clarius+ 軟件實現交互控制。

本應用指南將闡述這兩款SMU的電容容限規格，并介紹其在OLED、MOSFET、納米器件與電容泄漏測試中的應用優勢，同時提供測試系統電容估算方法。

三同軸電纜電容

當使用SMU強制電壓并測量低電流時，通常使用低噪聲同軸電纜在SMU和被測設備之間進行連接。盡管其他來源也會影響測試連接電容，但長三同軸電纜通常是輸出端子上附加電容的最常見來源。

如圖1所示，三同軸電纜有三根導線，在使用SMU進行測試系統設計時需要考慮兩種不同的電容。如下圖所示，三個導體是信號導體（連接到HI）、內部屏蔽( 連接到保護）和外部屏蔽（連接到LO）。該保護裝置消除了流經電纜絕緣體的漏電流。

圖1. 三軸連接器的配置。

與4201-SMU和4211-SMU一起使用的三軸電纜的電容/儀表規格如下：

● 中心信號線（HI）和內護罩（防護罩）之間：98pF/m

● 內屏蔽（保護）和外屏蔽（LO）之間：330pF/m

注意：選擇三同軸電纜時，請使用規格與Keithley SMU提供的低噪聲三同軸電纜類似的電纜。

圖2. 保護、屏蔽和負載電容的圖示。

SMU的最大電容規格

SMU的最大電容規格基于SMU輸出端三同軸連接器屏蔽之間的電容。圖2顯示了連接到SMU的保護、屏蔽和負載電容：

■保護電容：位于HI（中心信號線）和保護（內部屏蔽）之間

■屏蔽電容：在保護裝置（屏蔽內部）和強制低電平（屏蔽外部）之間

■負載電容：在HI（中心引腳）和LO（外部屏蔽）之間

表1列出了4201-SMU和4211-SMU的最大電容規格和測試系統電容的來源。

表1. 4201-SMU和4211-SMU的電容規格。

計算兩線和四線測量測試系統電容

在計算連接到每個SMU的三同軸電纜電容時，必須確定從HI和感測HI到被測設備的電纜長度，然后將它們加在一起，得到總電纜長度。然后，使用三同軸電纜的電容 / 儀表規格來計算總電容。下圖3顯示了一個示例：DUT使用兩根15米的三同軸電纜Force和 Sense，以四線 ( 或遠程傳感 ) 配置連接到4200A-SCS的SMU1。根據三同軸電纜的電容/米（pf/m）規格，兩條15米三同軸電纜的電容可以通過以下方程式計算得出：

● 保護電容 =98pF/m x 2 x 15m=2.9nF

● 屏蔽電容 =330pF/m×2×15m=9.9nF

圖3.使用15米三同軸電纜將DUT連接到SMU進行力和傳感。

如果使用兩線或本地傳感配置進行連接，則電纜電容可以計算為：

● 保護電容 =98pF/m x 15m=1.47nF

● 屏蔽電容 =330pF/m × 15m=5nF

除了同軸三線電纜，測試系統電容的其他來源包括接線板、開關矩陣、探頭、卡盤和DUT。這些其他誤差來源將在以下部分的示例應用中進行討論。

需要提高最大電容規格的示例應用

接下來的幾節提供了敏感的低電流應用的示例，其中4201-SMU和4211-SMU用于進行I-V測量。這些應用包括：平板顯示器測試、使用長電纜的nMOSFET傳輸特性、通過開關矩陣的FET測試、納米FET上的Id-Vg曲線以及電容泄漏測量。

平板顯示器上的OLED像素器件

在平板顯示器OLED像素測試中，SMU常需通過12–16米的三同軸電纜和開關矩陣連接至探針臺，這會顯著增加系統電容，影響低電流測量穩定性。圖4顯示了Keithley S500測試平臺搭配4211-SMU，可有效應對長電纜帶來的電容干擾，提升I-V曲線測量的準確性和重復性。

例如，圖5顯示了OLED器件上兩條I-V曲線的飽和度（橙色曲線）和線性度（藍色曲線）的不穩定性 —當使用傳統的SMU通過16米的三同軸電纜連接到DUT進行測量時。然而，當使用4211-SMU在DUT的漏極端子上重復進行這些I-V測量時，I-V曲線是穩定的，如圖6所示。

圖4. 使用Keithley S500測試系統的平板顯示器測試配置。

圖5. 使用傳統SMU測量的OLED上的飽和度和線性 I-V曲線。

圖6. 使用4211-SMU測量的OLED上的飽和度和線性I-V曲線

nMOSFET的傳輸特性

n型MOSFET的Id-Vg曲線可以使用兩個SMU生成。一個SMU掃描柵極電壓，另一個SMU測量漏極電流。典型測試電路的電路圖如圖7所示，其中使用20米三同軸電纜將SMU連接到設備端子。

圖7. 使用兩個SMU來測量MOSFET的I-V特性。

圖8顯示了使用兩個傳統SMU和兩個4211-SMU測量的傳輸特性。藍色曲線（使用兩個傳統SMU拍攝）顯示了曲線中的振蕩，特別是在低電流水平和改變電流范圍時。使用兩個4211-SMU進行的電流測量（紅色曲線）非常穩定。

圖8. 使用傳統SMU和4211-SMU，使用20米三同軸電纜生成的nMOSFET Id-Vg曲線。

圖9. 通過707B開關矩陣簡化SMU與DUT的連接。

通過開關矩陣進行FET測試

通過開關矩陣進行FET器件測試時，總電纜長度可達15米，系統電容顯著增大，易導致傳統SMU在nA級電流測量中產生振蕩，如圖9顯示了使用遠程傳感的典型電路，該電路涉及通過開關矩陣連接的兩個 SMU。

相較傳統SMU，4211-SMU憑借更高的電容容忍度，即使在高電容配置下也能提供穩定、準確的低電流測試，確保信號完整性和測量可靠性。如圖10所示，使用兩個傳統的 SMU（藍色曲線）和兩個4211-SMU（紅色曲線）生成了漏極電流與漏極電壓的曲線。測量漏極電流的傳統SMU在測量納安時似乎會振蕩（如藍色曲線所示）。然而，當4211-SMU通過開關矩陣測量FET的漏極電流時，測量結果是穩定的（如紅色曲線所示）。

圖10. 使用兩個傳統SMU和兩個4211-SMU通過開關矩陣測量的FET的Id-Vd曲線。

具有共柵和Chuck電容的納米FET

在測試納米FET與2D FET等高精度器件時，探針臺卡盤常引入數納法級電容，易影響低電流測量穩定性，納米FET測試配置的典型電路圖如下圖11所示。Keithley 4201/4211-SMU具備出色的電容容忍能力，即使通過高電容卡盤連接柵極或漏極，也能保持納安級測量的準確與穩定，特別適用于高要求的先進材料研究場景。

圖11. 使用兩個SMU測試納米FET。

通過使用兩個傳統的 SMU 連接到 2DFET 的柵極和漏極，產生了如圖12所示的噪聲 Id-Vg 遲滯曲線。然而，當兩個 4211-SMU 連接到同一器件的柵極和漏極時，產生的磁滯曲線平滑而穩定，如圖13所示。

圖12. 用傳統SMU測量的2D FET的Id-Vg磁滯曲線。

圖13. 用兩個4211-SMU測量的Id-Vg磁滯曲線。

電容泄漏

電容泄漏是通過向被測電容施加固定電壓并測量產生的電流來測量的。漏電流會隨著時間呈指數衰減，因此通常需要在測量電流之前，在已知時間內施加電壓。根據被測設備，測量的電流通常非常小（通常<10nA）。使用SMU測量電容泄漏的電路圖如下圖14所示。建議使用電路中的串聯二極管來降低測量噪聲。有關源電容如何影響反饋安培計噪聲性能的更多詳細信息，請參閱《吉時利第7版低電平測量手冊》第2.3.3節“噪聲和源阻抗”。