测试应用快速扩大阵列持续推动SMUs仪器技术

自20年前推出SMU以来，源测量单元（SMUs）已演变成一个多用途的仪器类别，人们经常要求SMU解决电子行业应用的快速扩大阵列：

• 半导体设备制造，工艺开发和产品研发/设计
• 电子产品的生产验证，如便携式无线设备
• 器件所需新型先进材料的生产和开发，如太阳能电池和高亮度LED
• 几乎所有电子设备的测试应用程序

在探讨定义SMU技术因素之前，精确定义SMU是什么（不是什么）会很有帮助。本质上讲，SMU是快速响应、能够回读电压和电流的源，具有高精度测量的能力，紧密地集成在单封闭机箱内。它们设计用于线路和设备评估，必须在测试设备上（DUT）施加一个直流信号，并且需要对被测信号做出响应。SMU具有四象限运行（图1）的能力，作为正负直流电源或吸收（负载）。它们还提供高度可重复的测量，通常具有5½-或6½-的数字分辨率。 SMU通常对用于确定被测设备I-V特性的电流和电压进行扫描。由于这些优势，SMU已被广泛地应用在工业领域，并且是许多自动化测试系统的通用部件。

 

图1 四象限SMU设计

有些主张与此相反，认为传统仪器在测试与测量行业仍然是一个重要的、逐渐增多的部件。虽然特定的通信接口（GPIB，RS - 232等）可能会随着时间的推移而过时，但是在系统中单独使用或与其它SMU集成使用的基于仪器的SMU，通常为宽范围需求的应用提供最快、最准确、最灵活的解决方案。“部件”SMU往往牺牲他们的性能以提供一个特定的外形因子。

 

最宽的可用功率和信号范围
针对多类型装置的测试，期望测试设备具有工作在宽范围信号等级的能力。例如，功率MOSFET导通时的电阻非常低，通过极大的电流，但是关断时的电阻非常高，并允许流过几乎为零的电流。MOSFET处于开通状态时，电流高达几十安培，关断时电流可能小于纳安培。功率二极管和高亮度发光二极管具有相似的动态范围要求，其全部特性也相似。对于这类器件，当施加的正向偏置电压低于阈值电压时，流过器件的电流非常低。当电压从0V至阈值电压扫描时，器件的电流从亚纳安范围上升到毫安级。当偏置电压达到并超过阈值电压时，测试电流快速增加，达到几十甚至几百安培，这个电流值取决于设备。期望测试设备能在宽范围内具有精确测量的能力，这样可以减少所需测试设备的数量，从而降低系统的复杂性和成本。

 

图2 吉时利SMU和竞争对手的动态范围比较

 

吉时利数字源表^®仪器结合了大部分单一仪器最宽范围信号的最大能力。型号2651A高功率源表可提供高达200W的直流电源和2000W的脉冲功率。它可以测量高达50A的电流，具有最大分辨率为1pA的测量能力。型号2636A动态范围上领先于行业，具有测量10A降至1fA信号的能力，提供160位电流分辨率。

 

一些基于SMU仪器的竞争对手宣称，型号2636A双通道系统源表仪器具有相同的动态覆盖范围，测量10A降至10fA的信号。然而，当比较每一个SMU（图2）测量范围时，很明显型号2636A在电流幅值上比竞争产品低两个数量级。这意味着型号2636A不是必须依赖其测量范围的最低有效位和最低精度位来实现真正的宽动态范围。对于仪器用户，在低电流测量的准确度方面提供了更大的信心。

 

部件SMU的供应商也宣称他们的宽范围覆盖性。然而，这些外形因子限制了他们的动态范围，使其比基于SMU的Keithley仪器小几十倍。在高端范围，他们受限于设备能够提供多大的功率，大多数部件SMU最大输出100mA的电流。在低端范围，对于各种实际的低压测量，所有设计在较小空间、具有不充分屏蔽的线路的电磁干扰会产生过多的电噪声。结果就是通常看不到部件SMU的任何电流低于10微安。

 

最快的模数转换器
测试设备制造商总是尽力推动从SMU每秒读出更多的读数。SMU的数字引擎得到升级，通信信道的带宽增加，但最终提高速度最有效的方法就是降低测量本身的时间。由于卓越的抗噪能力，大多数SMU使用积分模数转换器（ADC）来进行测量，并可以更好的获得精确的高分辨率结果。然而，从积分ADC得到的测量的质量直接与时间相关，因为它被迫运行的很快，因此测量的质量被降低。

 

通过将输入信号的值转换为输入电压电平给电容充电的时间和反极性参考电压给电容放电的时间之间的关系，那么积分ADC能够产生杰出的测量结果。对于一个标准双斜率积分ADC，这种关系表示为Vin = VREF（td / tc），其中Vin是被测信号，Vref是参考电压，td是电容放电时间，tc是电容充电的时间。通过对电容充电一段时间，输入信号的噪声尖峰经过平均后输出，因此在测量中最大程度地减少了噪声，提高了精度。对充放电周期中固定速率时钟的时钟周期进行计数，以此来测量电容进行充放电的时间。假定tc和td为时钟周期数，由这个方程可以看出，精度是由电容充电（tc）的时间所提供的。当允许流过更长时间时，tc计数变得更大，它提高了参考电压（Vref）被拆分的步长数。简单地说，tc计数变长，测量的分辨率将会增加。

 

从这个等式可以看到仪器制造商可控制的变量是充电时间（tc）。为了加快测量，有必要允许积分ADC具有更少的充电时间，但是这样做会降低测量的分辨率。吉时利数字源表仪器使用积分ADC，但是为了应对速度提升带来的分辨率的损失，他们引入了具有增强型多斜坡降低方法的积分ADC来替代更多的传统的双斜率方法。增强型多斜率下降积分ADC采用了多种创新技术以加快放电时间，允许在不降低充电时间的前提下提高速度，这样就保证了最终的测量分辨率。这种类型的积分ADC如何工作已超出本文的范围，但可在其它地方找到完整的描述。使用多斜率下降方法的创新技术允许吉时利使用积分型ADC的 SMU得到业界最快的高分辨率读数。

 

吉时利2600A系列数字源表仪器使用增强型多斜率下降积分型ADC，具有每秒读取20000个读数的能力。然而，对于需要更快测量的应用，积分ADC损失了分辨率和精度，因此必须使用不同类型的ADC。

 

吉时利型号2651A高功率源表仪器包含一个积分ADC和18位高速数字化ADC，具有每秒读出高达百万个读数的能力。使用此高速ADC，2651A具有市面上所有SMU中最高的读出速率，同时仍保持高的测量分辨率。

 

图3：型号2651A的18位高速数字化ADC捕获300微秒50A的脉冲

图3解释了型号2651A高数字化ADC的能力。此ADC使用400个采样和一微秒的时间间隔，使得它可以完整捕获全部300微秒50A的脉冲。有了这样的功能，型号2651A不需要额外的测试设备，也可以准确地捕捉设备的瞬态及热效应。

 

多通道的可扩展性
无论单个SMU可能的速度有多快，当集成到系统中性能降低的话，它的优点也被浪费。部件SMU本质上较少受这个问题的影响，这要归功于他们的高速及通过PCI或PCIe背板（133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1）连接到主机系统的低延迟。相反地，基于仪器的SMU是通过外部总线如GPIB和主机系统进行通信，GPIB的速度只是背板速度（1.8MB / s标准）的一小部分。吉时利的工程师在设计2600A系列源表仪器时意识到了这点，并通过使用测试脚本处理器（TSP®）使其脱离主机系统自主运作，并通过称为TPS-Link®的技术的高速、低延迟总线进行相互通信和同步。

 

传统的基于仪器源测量单元（SMU）要求每次从主机的一条总线传送一个命令，因为所有仪表共用一条总线，每次只能供一个仪表使用和通信。由于总线速度缓慢，大部分时间用于在总线和仪表之间发送指令和数据，而其他仪表经常闲置。TSP技术允许仪器自主运行主机系统的测试脚本，几乎省去了传输指令的时间。一旦脚本装入基于TSP的源测量仪表，就可以执行整个测试序列，主机只需要传送一个命令：指示仪器运行脚本。

 

图4：TSP-Link网络实例，含3个源数据仪表

TSP-Link省去了连接多个源数据仪表的需求，只需一条带宽有限的GPIB总线就可以满足需求。有了TSP-Link技术，只需将一个源数据仪表与GPIB总线相连，其他源数据仪表则与“菊花链”配置（通过便宜的CAT5e交叉线连接）相连。首先，通过TSP-Link技术将其他源数据仪表连接，这些仪表的源测量单元（SMU）以第一个源数据仪表的额外源测量单元（SMU）通道形式出现，通过在第一个源数据仪表上运行脚本就可以快速访问。

 

与组件源测量单元（SMU）不同，利用TSP-Link技术实现的通道扩展不限于主机的少数插槽。TSP-Link技术的无主机扩展最多允许连接32个仪表，有可能创建一个包含64个源测量单元（SMU）通道的系统。此外，由于源测量单元（SMU）是基于仪表的，可用电源数量不限于底板提供的电源。即使在基于大功率组件源测量单元（SMU）系统中，某些型号也只能提供最大84W的电源。通过接口TSP-Link可以连接32个2651A型大功率源数据仪表，这样创建的系统就可以提供6.4kW直流电源。

 

TSP-Link技术提供了一流的系统扩展方法，不需要昂贵的GPIB适配器和线缆，而且通过大量减少仪表与主机之间通信数量，可以提高系统吞吐量。不过，TSP-Link技术的真实功率在于其同步运行多个测试提高吞吐量的能力。除了源测量单元（SMU），无论它们是在底板上基于组件的SMU还是在GPIB总线上基于仪表的SMU，访问总线是受限的，主机每次必须向每个SMU发送命令。为系统增添更多的SMU意味着增加主机必须处理的器件数量，主机必须向其发送命令。由于在这些系统中，每次只能向一个SMU发送命令，因此所有测试都必须按顺序进行。

 

再通过TSP-Link接口连接的系统中，可以对网络中的仪表进行分组，每组拥有自己的测试脚本处理器，能够与系统中的任何其他组并行运行脚本。分组中可以包括单一源数据表或多个源数据表，而且通常可以根据测试器件所需的SMU通道数量进行分组。例如，如果正在测试的器件是一个四端口（栅极、漏极、源极、基极）MOSFET，对晶圆进行测试，而且每个管脚需要一个SMU，那么可以将其分组为两个双通道源数据表，如2636A型双通道系统源数据表。一旦确定分组而且为每组指定运行的脚本，主机就可以通过一个命令指示所有组开始并行运行。由于在内存中已经存储每组的脚本，主机只需再次发送命令就可以进行反复测试。

 

以晶片上的4端口MOSFET为例，假设一个TSP-Link网络包括一个组以及一个完整的测试序列，步骤如下：

• 主机发送开始执行的命令。
• 脚本运行并对器件进行一系列完整的测试。
• 数据反馈至主机，同时探测台将探针移至下一个测试点。

如果整个序列需要1秒钟完成，那么照此速度，每分钟就可以测试60个点位。如果为TSP-Link网络添加另外一组，测试仍然只需1秒钟完成。不过，增加第二组后，有可能对两个器件并行测试，因此吞吐量将翻倍，即每分钟测试120个点位。利用TSP-Link技术，只需为网络添加分组，就可以提高系统吞吐量。

 

支持最大性能的I/O连接器

吉时利工程师为源数据表选择了输入/输出连接器，旨在为目标应用提供最大性能。对于中级信号范围，banana连接非常适合传输信号并提供最大的易用性，这也是2400 系列源数据表提供这种连接的原因。不过，对于那些电流很大或很小的应用H，banana连接则不能支持所需的性能等级，因袭必须使用其他连接器。

对于像2651A型大功率源数据表这样的大电流源数据表，其直流电流高达20A，脉冲电流高达50A。

 

常见的banana连接器的额定电流是15A，接触电阻高达10 mΩ。在50A电流时，仅这个接触电阻就将带来0.5V的压降。吉时利选择使用性能更优的菲尼克斯连接器，其额定电流高达76A DC。这种连接器的电流容量额定值不仅足以满足2651A型仪表需求，而且其接触电阻非常低，不会在测试引线产生过大的压降，从而实现了性能最大化，减缓上升和稳定时间。菲尼克斯连接器的额定接触电阻仅为0.3 mΩ，在50A电流时的压降仅为15mV。为了便于器件连接，连接器与螺旋式接线柱已进行匹配，提高了易用性。

 

对于电流低于1毫微安培的应用，选择泄露电流最小并支持所需电压的连接器非常重要。这也是吉时利公司的源数据表，如237型高压源测量单元、2636A型双通道系统源数据表以及6430型亚FA程控数据源表，都使用三轴连接器的原因。标准的三轴连接器可以在1500V高压下安全运行，并涵盖这些仪表的输出电压容量。不过，使用三轴连接器的最大益处是将漏电流减到最小，实际上通过保护测试信号，几乎可以杜绝漏电流。

 

解释受保护三轴连接能够消除漏电流的最简单方法是将其与未受保护得同轴连接进行比较。同轴连接是在中心导体周围包裹一层屏蔽，二者之间是绝缘层。SMU的HI信号施加到中心导体，LO信号加于屏蔽层，如图5所示。

 

图5: 未受保护的同轴连接

在同轴连接中，中心导体和屏蔽层之间的绝缘体形成阻抗路径(R_L)，它以并联方式与待测器件（R_DUT）相连。这个额外的电流路径产生漏电流(I_L)，叠加到通过待测器件的电流(I_DUT)，得到测量电流(I_M)。

 

假设R_DUT是200GΩ，测试电压是200V。根据欧姆定律（I = V/R）可知，预计通过待测器件的电流是200V/200GΩ = 1nA。同轴电缆绝缘体的典型阻抗大约是2TΩ/米，因此假设电缆长度是1米，那么由于电缆泄露流出的电流就是200V/2TΩ = 100pA。考虑到测量得到的电流是通过待测器件电流和漏电流之和，因此测量得到的电流是1.1nA (1nA + 100pA = 1.1nA)。因此，计算出来的电阻是181.818GΩ (200V/1.1nA = 181.818GΩ)，误差为9.1% [(200GΩ – 181.818GΩ)/200GΩ * 100% = 9.1%]。随着电缆长度的增加，泄露电阻也随之减小，漏电流就更大；因此，在同轴连接中因泄露带来的误差就更大。

 

相反，利用三轴连接，中心导体被内部屏蔽层和外部屏蔽层所包围。与同轴连接相似，中心导体传输HI信号，外部屏蔽层传输LO信号。但是，内部屏蔽层有一个专门用途：传输保护信号。

 

图6: 受保护的三轴连接

 

保护信号由单位增益、低阻抗放大器驱动，它随着HI信号电压而变化。通过使三轴线缆内部屏蔽层电压与中心导体电压相同，那么中心导体与绝缘体(R_L1)之间的电势就是0V，从而杜绝了漏电流(I_L)。

 

从上面的例子中可以看出，即使阻抗非常高的绝缘体也可以泄露较大的电流，并给测量结果带来较大误差。吉时利公司的源测量单元（SMU）（低电流）使用天然的三轴连接，确保从仪表到电缆端口之间不存在漏电流路径。某些SMU使用匹配器将banana连接转换为三轴连接。虽然这实现了从仪表到待测器件的直接连接，但仪表与适配器之间的连接仍无法得到保护，从而留下电流泄露路径。如果仪表和适配器没有定期清洗，那么操作员皮肤的油污就可能在端口之间形成相对低的阻抗，这将成为一个非常重要的问题。吉时利公司的源数据表使用天然的三轴连接，确保从根本上杜绝这些经常被忽视的泄露路径。

 

SMU技术领先

吉时利公司目前的SMU技术领先地位是从20世纪80年代以来数十年的仪表工程设计和开发努力的结果，包括一系列广泛的SMU相关专利：

• 利用N沟道和P沟道FET实现范围变化(5,144,154)
• 利用电流/电压限制实现电压/电流源控制(5,039,934)
• 电流控制高压固态开关(5,146,100)
• 受保护的印制电路板岛(5,490,325)
• 测试接触点连接检查方法与电路(5,886,530)
• 遥控仪表接触检查(5,999,002)
• 利用二次反馈实现失灵SMU的范围变更(具有二次反馈的源测量单元，消除范围变更其间的瞬变) (6,262,670)
• 低噪声电源变压器(7,009,486)
• 自动确定范围的电流分流(自配置电流测量) (7,276,893)
• 源测量电路(阻抗遮盖) 7,202,676
• 大容量载荷测试(7,800,380)
• 测试仪表网络(动态TSP-Link网络细分(DTNS)) (7,680,621)

目前，吉时利拥有测量与测试业界技术最先进仪表SMU生产线，推出4种不同种类的源测量单元（SMU），涵盖从台式测试到大吞吐量生产测试等多种测试，具有最广泛的动态范围。

 

• 237型高压SMU具有10fA、10µV测量灵敏度，高达1100V源和测量电压。它是作为230系列产品之一于20世纪80年代推出的，目前237型SMU仍然用于高压参数测试领域，包括双极-CMOS-DMOS (BCD)技术的工艺控制和可靠性监控。

 

• 6430型亚fA程控源数据表集成了SMU的电压和电流源以及测量功能，比静电计灵敏度更高、噪声更低、输入阻抗更高。高达10aA的灵敏度使得它成为测试实验室评估试验组件的重要仪器，适合低电流、高阻抗或高灵敏度半导体测量。其低噪声和低漂移特性还使得它非常适合单电子器件、高阻抗纳米线和纳米管、聚合物以及其他高阻抗纳米材料的科学研究。

 

• 2400系列源数据表性价比高，适合台式 (交互) 以及速度较低的集成系统测试。公司最新推出2401型低压源数据表，这样2400系列产品就可以为研究人员和系统构建人员提供8种不同的仪表级解决方案，满足其动态范围需求。这些方案提供的测量范围宽泛，不存在仪表局限性，可以满足各种测量要求。

 

• 2600A系列系统源数据表集测量速度、测量完整性以及系统级吞吐量于一体，适合高速生产测试系统以及PC控制测试台应用。公司最新推出的2651A型仪表，使得该系列产品支持高达200W DC和2000W的脉冲测试需求。

 

结束语

吉时利公司将继续巩固和扩大SMU的领先地位，为用户提供各种重要测量工具，满足其直流特性分析和测量需求。