工程師必備的測試應用，SMUs儀器技術(shù)的演進(jìn)

自20年前推出SMU以來(lái)，源測量單元(SMUs)已演變成一個(gè)多用途的儀器類(lèi)別，人們經(jīng)常要求SMU解決電子行業(yè)應用的快速擴大陣列：

半導體設備制造，工藝開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)/設計

電子產(chǎn)品的生產(chǎn)驗證，如便攜式無(wú)線(xiàn)設備

器件所需新型先進(jìn)材料的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)，如太陽(yáng)能電池和高亮度LED

幾乎所有電子設備的測試應用程序

在探討定義SMU技術(shù)因素之前，精確定義SMU是什么(不是什么)會(huì )很有幫助。本質(zhì)上講，SMU是快速響應、能夠回讀電壓和電流的源，具有高精度測量的能力，緊密地集成在單封閉機箱內。它們設計用于線(xiàn)路和設備評估，必須在測試設備上(DUT)施加一個(gè)直流信號，并且需要對被測信號做出響應。SMU具有四象限運行(圖1)的能力，作為正負直流電源或吸收(負載)。它們還提供高度可重復的測量，通常具有5½-或6½-的數字分辨率。 SMU通常對用于確定被測設備I-V特性的電流和電壓進(jìn)行掃描。由于這些優(yōu)勢，SMU已被廣泛地應用在工業(yè)領(lǐng)域，并且是許多自動(dòng)化測試系統的通用部件。

圖1 四象限SMU設計

有些主張與此相反，認為傳統儀器在測試與測量行業(yè)仍然是一個(gè)重要的、逐漸增多的部件。雖然特定的通信接口(GPIB，RS - 232等)可能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而過(guò)時(shí)，但是在系統中單獨使用或與其它SMU集成使用的基于儀器的SMU，通常為寬范圍需求的應用提供最快、最準確、最靈活的解決方案。“部件”SMU往往犧牲他們的性能以提供一個(gè)特定的外形因子。

最寬的可用功率和信號范圍

針對多類(lèi)型裝置的測試，期望測試設備具有工作在寬范圍信號等級的能力。例如，功率MOSFET導通時(shí)的電阻非常低，通過(guò)極大的電流，但是關(guān)斷時(shí)的電阻非常高，并允許流過(guò)幾乎為零的電流。MOSFET處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，電流高達幾十安培，關(guān)斷時(shí)電流可能小于納安培。功率二極管和高亮度發(fā)光二極管具有相似的動(dòng)態(tài)范圍要求，其全部特性也相似。對于這類(lèi)器件，當施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時(shí)，流過(guò)器件的電流非常低。當電壓從0V至閾值電壓掃描時(shí)，器件的電流從亞納安范圍上升到毫安級。當偏置電壓達到并超過(guò)閾值電壓時(shí)，測試電流快速增加，達到幾十甚至幾百安培，這個(gè)電流值取決于設備。期望測試設備能在寬范圍內具有精確測量的能力，這樣可以減少所需測試設備的數量，從而降低系統的復雜性和成本。

圖2 吉時(shí)利SMU和競爭對手的動(dòng)態(tài)范圍比較

吉時(shí)利數字源表®儀器結合了大部分單一儀器最寬范圍信號的最大能力。型號2651A高功率源表可提供高達200W的直流電源和2000W的脈沖功率。它可以測量高達50A的電流，具有最大分辨率為1pA的測量能力。型號2636A動(dòng)態(tài)范圍上領(lǐng)先于行業(yè)，具有測量10A降至1fA信號的能力，提供160位電流分辨率。

一些基于SMU儀器的競爭對手宣稱(chēng)，型號2636A雙通道系統源表儀器具有相同的動(dòng)態(tài)覆蓋范圍，測量10A降至10fA的信號。然而，當比較每一個(gè)SMU(圖2)測量范圍時(shí)，很明顯型號2636A在電流幅值上比競爭產(chǎn)品低兩個(gè)數量級。這意味著(zhù)型號2636A不是必須依賴(lài)其測量范圍的最低有效位和最低精度位來(lái)實(shí)現真正的寬動(dòng)態(tài)范圍。對于儀器用戶(hù)，在低電流測量的準確度方面提供了更大的信心。

部件SMU的供應商也宣稱(chēng)他們的寬范圍覆蓋性。然而，這些外形因子限制了他們的動(dòng)態(tài)范圍，使其比基于SMU的Keithley儀器小幾十倍。在高端范圍，他們受限于設備能夠提供多大的功率，大多數部件SMU最大輸出100mA的電流。在低端范圍，對于各種實(shí)際的低壓測量，所有設計在較小空間、具有不充分屏蔽的線(xiàn)路的電磁干擾會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的電噪聲。結果就是通?？床坏讲考MU的任何電流低于10微安。

最快的模數轉換器

測試設備制造商總是盡力推動(dòng)從SMU每秒讀出更多的讀數。SMU的數字引擎得到升級，通信信道的帶寬增加，但最終提高速度最有效的方法就是降低測量本身的時(shí)間。由于卓越的抗噪能力，大多數SMU使用積分模數轉換器(ADC)來(lái)進(jìn)行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時(shí)間相關(guān)，因為它被迫運行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。

通過(guò)將輸入信號的值轉換為輸入電壓電平給電容充電的時(shí)間和反極性參考電壓給電容放電的時(shí)間之間的關(guān)系，那么積分ADC能夠產(chǎn)生杰出的測量結果。對于一個(gè)標準雙斜率積分ADC，這種關(guān)系表示為Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被測信號，Vref是參考電壓，td是電容放電時(shí)間，tc是電容充電的時(shí)間。通過(guò)對電容充電一段時(shí)間，輸入信號的噪聲尖峰經(jīng)過(guò)平均后輸出，因此在測量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對充放電周期中固定速率時(shí)鐘的時(shí)鐘周期進(jìn)行計數，以此來(lái)測量電容進(jìn)行充放電的時(shí)間。假定tc和td為時(shí)鐘周期數，由這個(gè)方程可以看出，精度是由電容充電(tc)的時(shí)間所提供的。當允許流過(guò)更長(cháng)時(shí)間時(shí)，tc計數變得更大，它提高了參考電壓(Vref)被拆分的步長(cháng)數。簡(jiǎn)單地說(shuō)，tc計數變長(cháng)，測量的分辨率將會(huì )增加。

從這個(gè)等式可以看到儀器制造商可控制的變量是充電時(shí)間(tc)。為了加快測量，有必要允許積分ADC具有更少的充電時(shí)間，但是這樣做會(huì )降低測量的分辨率。吉時(shí)利數字源表儀器使用積分ADC，但是為了應對速度提升帶來(lái)的分辨率的損失，他們引入了具有增強型多斜坡降低方法的積分ADC來(lái)替代更多的傳統的雙斜率方法。增強型多斜率下降積分ADC采用了多種創(chuàng )新技術(shù)以加快放電時(shí)間，允許在不降低充電時(shí)間的前提下提高速度，這樣就保證了最終的測量分辨率。這種類(lèi)型的積分ADC如何工作已超出本文的范圍，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的創(chuàng )新技術(shù)允許吉時(shí)利使用積分型ADC的 SMU得到業(yè)界最快的高分辨率讀數。

吉時(shí)利2600A系列數字源表儀器使用增強型多斜率下降積分型ADC，具有每秒讀取20000個(gè)讀數的能力。然而，對于需要更快測量的應用，積分ADC損失了分辨率和精度，因此必須使用不同類(lèi)型的ADC。

吉時(shí)利型號2651A高功率源表儀器包含一個(gè)積分ADC和18位高速數字化ADC，具有每秒讀出高達百萬(wàn)個(gè)讀數的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的讀出速率，同時(shí)仍保持高的測量分辨率。

圖3：型號2651A的18位高速數字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖

圖3解釋了型號2651A高數字化ADC的能力。此ADC使用400個(gè)采樣和一微秒的時(shí)間間隔，使得它可以完整捕獲全部300微秒50A的脈沖。有了這樣的功能，型號2651A不需要額外的測試設備，也可以準確地捕捉設備的瞬態(tài)及熱效應。

多通道的可擴展性

無(wú)論單個(gè)SMU可能的速度有多快，當集成到系統中性能降低的話(huà)，它的優(yōu)點(diǎn)也被浪費。部件SMU本質(zhì)上較少受這個(gè)問(wèn)題的影響，這要歸功于他們的高速及通過(guò)PCI或PCIe背板(133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1)連接到主機系統的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過(guò)外部總線(xiàn)如GPIB和主機系統進(jìn)行通信，GPIB的速度只是背板速度(1.8MB / s標準)的一小部分。吉時(shí)利的工程師在設計2600A系列源表儀器時(shí)意識到了這點(diǎn)，并通過(guò)使用測試腳本處理器(TSP®)使其脫離主機系統自主運作，并通過(guò)稱(chēng)為T(mén)PS-Link®的技術(shù)的高速、低延遲總線(xiàn)進(jìn)行相互通信和同步。

傳統的基于儀器源測量單元(SMU)要求每次從主機的一條總線(xiàn)傳送一個(gè)命令，因為所有儀表共用一條總線(xiàn)，每次只能供一個(gè)儀表使用和通信。由于總線(xiàn)速度緩慢，大部分時(shí)間用于在總線(xiàn)和儀表之間發(fā)送指令和數據，而其他儀表經(jīng)常閑置。TSP技術(shù)允許儀器自主運行主機系統的測試腳本，幾乎省去了傳輸指令的時(shí)間。一旦腳本裝入基于TSP的源測量?jì)x表，就可以執行整個(gè)測試序列，主機只需要傳送一個(gè)命令：指示儀器運行腳本。

圖4：TSP-Link網(wǎng)絡(luò )實(shí)例，含3個(gè)源數據儀表

TSP-Link省去了連接多個(gè)源數據儀表的需求，只需一條帶寬有限的GPIB總線(xiàn)就可以滿(mǎn)足需求。有了TSP-Link技術(shù)，只需將一個(gè)源數據儀表與GPIB總線(xiàn)相連，其他源數據儀表則與“菊花鏈”配置(通過(guò)便宜的CAT5e交叉線(xiàn)連接)相連。首先，通過(guò)TSP-Link技術(shù)將其他源數據儀表連接，這些儀表的源測量單元(SMU)以第一個(gè)源數據儀表的額外源測量單元(SMU)通道形式出現，通過(guò)在第一個(gè)源數據儀表上運行腳本就可以快速訪(fǎng)問(wèn)。

與組件源測量單元(SMU)不同，利用TSP-Link技術(shù)實(shí)現的通道擴展不限于主機的少數插槽。TSP-Link技術(shù)的無(wú)主機擴展最多允許連接32個(gè)儀表，有可能創(chuàng )建一個(gè)包含64個(gè)源測量單元(SMU)通道的系統。此外，由于源測量單元(SMU)是基于儀表的，可用電源數量不限于底板提供的電源。即使在基于大功率組件源測量單元(SMU)系統中，某些型號也只能提供最大84W的電源。通過(guò)接口TSP-Link可以連接32個(gè)2651A型大功率源數據儀表，這樣創(chuàng )建的系統就可以提供6.4kW直流電源。

TSP-Link技術(shù)提供了一流的系統擴展方法，不需要昂貴的GPIB適配器和線(xiàn)纜，而且通過(guò)大量減少儀表與主機之間通信數量，可以提高系統吞吐量。不過(guò)，TSP-Link技術(shù)的真實(shí)功率在于其同步運行多個(gè)測試提高吞吐量的能力。除了源測量單元(SMU)，無(wú)論它們是在底板上基于組件的SMU還是在GPIB總線(xiàn)上基于儀表的SMU，訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)是受限的，主機每次必須向每個(gè)SMU發(fā)送命令。為系統增添更多的SMU意味著(zhù)增加主機必須處理的器件數量，主機必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統中，每次只能向一個(gè)SMU發(fā)送命令，因此所有測試都必須按順序進(jìn)行。

再通過(guò)TSP-Link接口連接的系統中，可以對網(wǎng)絡(luò )中的儀表進(jìn)行分組，每組擁有自己的測試腳本處理器，能夠與系統中的任何其他組并行運行腳本。分組中可以包括單一源數據表或多個(gè)源數據表，而且通?？梢愿鶕y試器件所需的SMU通道數量進(jìn)行分組。例如，如果正在測試的器件是一個(gè)四端口(柵極、漏極、源極、基極)MOSFET，對晶圓進(jìn)行測試，而且每個(gè)管腳需要一個(gè)SMU，那么可以將其分組為兩個(gè)雙通道源數據表，如2636A型雙通道系統源數據表。一旦確定分組而且為每組指定運行的腳本，主機就可以通過(guò)一個(gè)命令指示所有組開(kāi)始并行運行。由于在內存中已經(jīng)存儲每組的腳本，主機只需再次發(fā)送命令就可以進(jìn)行反復測試。

以晶片上的4端口MOSFET為例，假設一個(gè)TSP-Link網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)組以及一個(gè)完整的測試序列，步驟如下：

主機發(fā)送開(kāi)始執行的命令。

腳本運行并對器件進(jìn)行一系列完整的測試。

數據反饋至主機，同時(shí)探測臺將探針移至下一個(gè)測試點(diǎn)。

如果整個(gè)序列需要1秒鐘完成，那么照此速度，每分鐘就可以測試60個(gè)點(diǎn)位。如果為T(mén)SP-Link網(wǎng)絡(luò )添加另外一組，測試仍然只需1秒鐘完成。不過(guò)，增加第二組后，有可能對兩個(gè)器件并行測試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測試120個(gè)點(diǎn)位。利用TSP-Link技術(shù)，只需為網(wǎng)絡(luò )添加分組，就可以提高系統吞吐量。

支持最大性能的I/O連接器

吉時(shí)利工程師為源數據表選擇了輸入/輸出連接器，旨在為目標應用提供最大性能。對于中級信號范圍，banana連接非常適合傳輸信號并提供最大的易用性，這也是2400 系列源數據表提供這種連接的原因。不過(guò)，對于那些電流很大或很小的應用H，banana連接則不能支持所需的性能等級，因襲必須使用其他連接器。

對于像2651A型大功率源數據表這樣的大電流源數據表，其直流電流高達20A，脈沖電流高達50A。

常見(jiàn)的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達10 mΩ。在50A電流時(shí)，僅這個(gè)接觸電阻就將帶來(lái)0.5V的壓降。吉時(shí)利選擇使用性能更優(yōu)的菲尼克斯連接器，其額定電流高達76A DC。這種連接器的電流容量額定值不僅足以滿(mǎn)足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會(huì )在測試引線(xiàn)產(chǎn)生過(guò)大的壓降，從而實(shí)現了性能最大化，減緩上升和穩定時(shí)間。菲尼克斯連接器的額定接觸電阻僅為0.3 mΩ，在50A電流時(shí)的壓降僅為15mV。為了便于器件連接，連接器與螺旋式接線(xiàn)柱已進(jìn)行匹配，提高了易用性。

對于電流低于1毫微安培的應用，選擇泄露電流最小并支持所需電壓的連接器非常重要。這也是吉時(shí)利公司的源數據表，如237型高壓源測量單元、2636A型雙通道系統源數據表以及6430型亞FA程控數據源表，都使用三軸連接器的原因。標準的三軸連接器可以在1500V高壓下安全運行，并涵蓋這些儀表的輸出電壓容量。不過(guò)，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實(shí)際上通過(guò)保護測試信號，幾乎可以杜絕漏電流。

解釋受保護三軸連接能夠消除漏電流的最簡(jiǎn)單方法是將其與未受保護得同軸連接進(jìn)行比較。同軸連接是在中心導體周?chē)粚悠帘?，二者之間是絕緣層。SMU的HI信號施加到中心導體，LO信號加于屏蔽層，如圖5所示。

圖5： 未受保護的同軸連接

在同軸連接中，中心導體和屏蔽層之間的絕緣體形成阻抗路徑(RL)，它以并聯(lián)方式與待測器件(RDUT)相連。這個(gè)額外的電流路徑產(chǎn)生漏電流(IL)，疊加到通過(guò)待測器件的電流(IDUT)，得到測量電流(IM)。

假設RDUT是200GΩ，測試電壓是200V。根據歐姆定律(I = V/R)可知，預計通過(guò)待測器件的電流是200V/200GΩ = 1nA。同軸電纜絕緣體的典型阻抗大約是2TΩ/米，因此假設電纜長(cháng)度是1米，那么由于電纜泄露流出的電流就是200V/2TΩ = 100pA?？紤]到測量得到的電流是通過(guò)待測器件電流和漏電流之和，因此測量得到的電流是1.1nA (1nA + 100pA = 1.1nA)。因此，計算出來(lái)的電阻是181.818GΩ (200V/1.1nA = 181.818GΩ)，誤差為9.1% [(200GΩ – 181.818GΩ)/200GΩ * 100% = 9.1%]。隨著(zhù)電纜長(cháng)度的增加，泄露電阻也隨之減小，漏電流就更大;因此，在同軸連接中因泄露帶來(lái)的誤差就更大。

相反，利用三軸連接，中心導體被內部屏蔽層和外部屏蔽層所包圍。與同軸連接相似，中心導體傳輸HI信號，外部屏蔽層傳輸LO信號。但是，內部屏蔽層有一個(gè)專(zhuān)門(mén)用途：傳輸保護信號。

圖6： 受保護的三軸連接

保護信號由單位增益、低阻抗放大器驅動(dòng)，它隨著(zhù)HI信號電壓而變化。通過(guò)使三軸線(xiàn)纜內部屏蔽層電壓與中心導體電壓相同，那么中心導體與絕緣體(RL1)之間的電勢就是0V，從而杜絕了漏電流(IL)。

從上面的例子中可以看出，即使阻抗非常高的絕緣體也可以泄露較大的電流，并給測量結果帶來(lái)較大誤差。吉時(shí)利公司的源測量單元(SMU)(低電流)使用天然的三軸連接，確保從儀表到電纜端口之間不存在漏電流路徑。某些SMU使用匹配器將banana連接轉換為三軸連接。雖然這實(shí)現了從儀表到待測器件的直接連接，但儀表與適配器之間的連接仍無(wú)法得到保護，從而留下電流泄露路徑。如果儀表和適配器沒(méi)有定期清洗，那么操作員皮膚的油污就可能在端口之間形成相對低的阻抗，這將成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題。吉時(shí)利公司的源數據表使用天然的三軸連接，確保從根本上杜絕這些經(jīng)常被忽視的泄露路徑。

SMU技術(shù)領(lǐng)先

吉時(shí)利公司目前的SMU技術(shù)領(lǐng)先地位是從20世紀80年代以來(lái)數十年的儀表工程設計和開(kāi)發(fā)努力的結果，包括一系列廣泛的SMU相關(guān)專(zhuān)利：

利用N溝道和P溝道FET實(shí)現范圍變化(5，144，154)

利用電流/電壓限制實(shí)現電壓/電流源控制(5，039，934)

電流控制高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)(5，146，100)

受保護的印制電路板島(5，490，325)

測試接觸點(diǎn)連接檢查方法與電路(5，886，530)

遙控儀表接觸檢查(5，999，002)

利用二次反饋實(shí)現失靈SMU的范圍變更(具有二次反饋的源測量單元，消除范圍變更其間的瞬變) (6，262，670)

低噪聲電源變壓器(7，009，486)

自動(dòng)確定范圍的電流分流(自配置電流測量) (7，276，893)

源測量電路(阻抗遮蓋) 7，202，676

大容量載荷測試(7，800，380)

測試儀表網(wǎng)絡(luò )(動(dòng)態(tài)TSP-Link網(wǎng)絡(luò )細分(DTNS)) (7，680，621)

目前，吉時(shí)利擁有測量與測試業(yè)界技術(shù)最先進(jìn)儀表SMU生產(chǎn)線(xiàn)，推出4種不同種類(lèi)的源測量單元(SMU)，涵蓋從臺式測試到大吞吐量生產(chǎn)測試等多種測試，具有最廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。

• 237型高壓SMU具有10fA、10µV測量靈敏度，高達1100V源和測量電壓。它是作為230系列產(chǎn)品之一于20世紀80年代推出的，目前237型SMU仍然用于高壓參數測試領(lǐng)域，包括雙極-CMOS-DMOS (BCD)技術(shù)的工藝控制和可靠性監控。

• 6430型亞fA程控源數據表集成了SMU的電壓和電流源以及測量功能，比靜電計靈敏度更高、噪聲更低、輸入阻抗更高。高達10aA的靈敏度使得它成為測試實(shí)驗室評估試驗組件的重要儀器，適合低電流、高阻抗或高靈敏度半導體測量。其低噪聲和低漂移特性還使得它非常適合單電子器件、高阻抗納米線(xiàn)和納米管、聚合物以及其他高阻抗納米材料的科學(xué)研究。

• 2400系列源數據表性?xún)r(jià)比高，適合臺式 (交互) 以及速度較低的集成系統測試。公司最新推出2401型低壓源數據表，這樣2400系列產(chǎn)品就可以為研究人員和系統構建人員提供8種不同的儀表級解決方案，滿(mǎn)足其動(dòng)態(tài)范圍需求。這些方案提供的測量范圍寬泛，不存在儀表局限性，可以滿(mǎn)足各種測量要求。

• 2600A系列系統源數據表集測量速度、測量完整性以及系統級吞吐量于一體，適合高速生產(chǎn)測試系統以及PC控制測試臺應用。公司最新推出的2651A型儀表，使得該系列產(chǎn)品支持高達200W DC和2000W的脈沖測試需求。

結束語(yǔ)

吉時(shí)利公司將繼續鞏固和擴大SMU的領(lǐng)先地位，為用戶(hù)提供各種重要測量工具，滿(mǎn)足其直流特性分析和測量需求。