面向高電容連接的低電流I-V表征：從OLED器件到納米級FET的測試實踐

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(tǒng)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)格和測試系統(tǒng)電容的來源。

表1. 4201-SMU和4211-SMU的電容規(guī)格。

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(guī)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(jù)三同軸電纜的電容/米（pf/m）規(guī)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(tǒng)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。

接下來的幾節(jié)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。

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(tǒng)電容，影響低電流測量穩(wěn)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(wěn)定性 —當使用傳統(tǒng)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(wěn)定的，如圖6所示。

圖4. 使用Keithley S500測試系統(tǒng)的平板顯示器測試配置。

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(tǒng)SMU和兩個4211-SMU測量的傳輸特性。藍色曲線（使用兩個傳統(tǒng)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(wěn)定。

圖8. 使用傳統(tǒng)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器件測試時，總電纜長度可達15米，系統(tǒng)電容顯著增大，易導致傳統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定的（如紅色曲線所示）。

圖10. 使用兩個傳統(tǒng)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(shù)納法級電容，易影響低電流測量穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(wěn)定，如圖13所示。

圖12. 用傳統(tǒng)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(shù)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(jù)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(lián)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(jié)“噪聲和源阻抗”。

圖14. 使用SMU和串聯(lián)二極管測量電容漏電。

圖15顯示了用4201-SMU測量的100nF電容的漏電流與時間的圖。由于最大負載電容規(guī)格的增加，4201-SMU和4211-SMU在測量電容漏電時更加穩(wěn)定，但對串聯(lián)二極管的需求將取決于電容的絕緣電阻和大小以及電流測量范圍。可能需要一些實驗。

圖15. 用4201-SMU測量的100nF電容的漏電流與時間的關系。

吉時利 201-SMU中功率SMU和4211-SMU高功率SMU是理想的電壓源，可在設備和材料上進行非常靈敏（<nA）的低電流測量。這些SMU特別有利于在具有高測試連接電容的測試電路中進行穩(wěn)定的低電流測量。與其他敏感的SMU相比，它們增加了最大電容規(guī)格。