使用源度量單位儀器的工作原理

盡管電源和DMM適合某些測量，但在同一臺儀器中進行采購和測量有許多優(yōu)點。但是我遇到的許多工程師都不熟悉這種方法。對于此博客文章，我已經(jīng)請我的同事*瑪麗·安妮·塔普塔（Mary Anne Tupta）*解釋了基本原理。

源測量單元（SMU）儀器在單個儀器中集成了精密電源（PPS）和高性能數(shù)字萬用表（DMM）的功能。例如，SMU儀器可以在測量電流的同時提供或吸收電壓，并在測量電壓的同時提供或吸收電流（_圖1_）。它們可用作獨立的恒定電壓或恒定電流源，獨立的電壓表，電流表和歐姆表，以及精密電子負載。它們的高性能架構(gòu)還允許將它們用作脈沖發(fā)生器，波形發(fā)生器和自動電流-電壓（IV）表征系統(tǒng)。

基本的SMU儀器拓撲。

由于SMU儀器具有同時發(fā)出和測量信號的能力，因此非常適合廣泛的測試和測量應(yīng)用（請參見側(cè)欄）。與使用單獨的儀器來處理每個功能相比，這種同時進行的操作可縮短測試時間，簡化連接，提高準確性，簡化編程并降低擁有成本。它們的緊密集成使他們能夠保護被測設(shè)備（DUT）免受意外過載，熱失控和其他危險所造成的損壞。這也使SMU儀器成為表征和測試半導(dǎo)體器件以及其他非線性器件和材料的理想選擇。如以下示例所示，SMU被廣泛用于臺式研發(fā)和基于機架的生產(chǎn)測試環(huán)境中。

電阻率測試

材料的電阻率決定了它傳導(dǎo)電流的程度，具體取決于包括材料的摻雜和加工以及環(huán)境因素（例如溫度和濕度）在內(nèi)的因素。材料的電阻率會影響由其制成的設(shè)備的特性，例如其串聯(lián)電阻，閾值電壓，電容等。根據(jù)電阻的大小，材料的形狀和厚度，可以使用各種確定電阻率的方法。四點共線探頭是測量包括半導(dǎo)體材料和導(dǎo)電涂層在內(nèi)的薄而扁平的材料的電阻率的常用方法。該技術(shù)涉及使四個等間距的探頭與電阻未知的材料接觸，從而在外部的兩個探頭之間施加直流電流，并測量內(nèi)部兩個探針之間的電壓差。電阻率是根據(jù)幾何因素，源電流和電壓測量值計算得出的。由于SMU（圖2_）可以提供電流，測量電壓并配置為顯示電阻或電阻率結(jié)果，因此該儀器非常適合該技術(shù)。

使用帶有Lucas / Signatone公司（加利福尼亞州吉爾羅伊）的SP4 4點探針頭和S-302測試臺的Model 2450SourceMeter?SMU儀器測量透明導(dǎo)電涂層的電阻率。

在這種四點共線探針電阻率測量技術(shù)中，將安裝在探針頭中的探針輕輕地放置在晶片的中心，如圖3_所示。

四點探針電阻率測試電路。

兩個外部探頭（1和4）提供電流；兩個內(nèi)部探頭（2和3）測量整個樣品表面上的電壓降。

材料的體積或體積電阻率（ρ）可以計算如下：

其中：

ρ=體積電阻率（Ω-cm）

V =在探頭2和3之間測得的電壓（電壓）

I =源電流的大?。ò才啵?/p>

t =樣品厚度（cm）

k =基于校正因子探針與晶圓直徑的比率以及晶圓厚度與探針分離的比率

然而，對于諸如薄膜和涂層的材料，代替地確定薄層電阻或表面電阻率，其沒有考慮厚度。薄層電阻（σ）的計算公式如下：

其中：

σ=薄層電阻（Ω/平方或僅Ω）

注意，薄層電阻的單位以Ω/平方表示，以避免與測得的電阻（V / I）混淆。

許多SMU在其電阻測量功能中提供了內(nèi)置的技術(shù)，這些技術(shù)使用戶可以補償電壓偏移并提高測量精度。失調(diào)補償技術(shù)包括在提供0A電流時進行電壓測量，然后從在所需測試電流下獲得的電壓讀數(shù)中減去該值。當前的反轉(zhuǎn)技術(shù)雖然與偏移補償方法相似，但可提供更好的信噪比。該技術(shù)通過使用相反極性的源電流進行兩次電壓測量來消除電壓偏移。將這兩個測量值平均后，可以從最終讀數(shù)中通過數(shù)學(xué)方法消除電壓偏移?？梢詫ψ钚碌腟MU進行編程，以自動從測得的電阻計算以歐姆/平方為單位的電阻率，如圖6_所示。

最新的SMU可以自動計算并顯示樣品的測得電阻和電阻率。

如果所使用的SMU具有三同軸連接，則在表征較高阻抗材料時應(yīng)使用這些連接。因為三同軸電纜是屏蔽的，所以它們減少了靜電干擾的影響，靜電干擾可能會導(dǎo)致噪聲讀數(shù)。探頭和被表征的材料也應(yīng)進行靜電屏蔽。光敏材料在測量過程中也將需要遮光。

充電電池充/放電循環(huán)

通常使用放電和充電循環(huán)來測試可充電或二次電池的特性。循環(huán)測試可提供重要信息，例如有關(guān)電池內(nèi)部化學(xué)成分，容量，可用循環(huán)數(shù)和壽命的信息。在生產(chǎn)測試中，經(jīng)常執(zhí)行放電/充電循環(huán)以驗證電池規(guī)格并確保其沒有缺陷。盡管典型的電池放電/充電測試設(shè)置可能包括可編程電源，電子負載，電壓表和電流表，但SMU提供了更簡單的替代方案，因為它可以提供/吸收電流，以及測量電壓和電流。SMU可以通過提供電流為電池充電，通過消耗功率使電池放電，并監(jiān)視電池的電壓和負載電流。

恒定電流充電和放電的速率取決于電池的容量（電池可以存儲的電量），以可用的毫安時（mAh）表示，應(yīng)以放電或負載的形式表示， 當前的。放電電流在一小時內(nèi)將整個電池放電的速率稱為C速率。例如，如果在1C的溫度下放電，則額定為1000mAh的電池將在一個小時內(nèi)輸出1000mA的電流。如果500mAh電池以50mA的電流放電，則其放電速度為C速率（0.1C）的十分之一，因此可以輸出50mA的電流達十小時。

對于充電和放電周期，可以將SMU配置為提供電壓并測量電流。通常使用恒定電流為電池充電。這可以通過使用SMU作為電壓源來完成，該電壓源設(shè)置為電池的額定電壓，而所需的充電電流設(shè)置為電流限制。測試開始時，電池電壓小于SMU的電壓輸出設(shè)置。結(jié)果，該電壓差會驅(qū)動電流，該電流立即限制為用戶定義的電流極限。當處于電流限制狀態(tài)時，SMU充當恒流源，直到達到編程的電壓水平。隨著電池充滿電，電流將減小，直到達到零或接近零為止。為防止安全隱患或損壞電池，必須注意不要給電池過度充電。

當對電池放電時，SMU用作接收器，因為它消耗功率而不是消耗功率。SMU的電壓源設(shè)置為低于電池電壓的電平。電流限制設(shè)定放電率。啟用輸出后，來自電池的電流將流入SMU的HI端子。結(jié)果，當前讀數(shù)將為負。放電電流應(yīng)保持恒定，直到電池電壓降低到SMU的電壓源設(shè)置為止。

要設(shè)置測試，請將SMU連接到電池，如圖_圖7_所示。儀表端子與電池之間采用四線或遠程連接，以消除引線電阻的影響。這樣可以測量電池電壓，使其盡可能靠近其端子。SMU的Force HI和Sense HI輸出端子連接到電池的正極，而Sense LO和Force LO輸出連接到負極。

將SMU連接到電池以進行充電/放電循環(huán)。為了說明這項技術(shù)，圖8中的曲線圖顯示了2300mAh AA（1.2V）電池的放電特性，該放電特性由配置為使用四線連接提供電壓和測量電流的SMU監(jiān)控。使用460mA的負載電流以0.2C的速率對電池放電。每十秒鐘讀取一次電池電壓，負載電流和相對時間，直到電池電壓達到指定的水平（1V）。

2300mAh AA電池的放電特性。

除了監(jiān)視讀數(shù)之外，最新的SMU還可在測試進行中同時顯示負載電流，電池電壓和經(jīng)過的測試時間（圖9_）。

2450型SourceMeter SMU儀器在給AA電池放電時顯示負載電流，電池電壓和經(jīng)過的測試時間。

結(jié)論

沒有一個SMU適用于所有應(yīng)用程序。確保工具與任務(wù)之間良好匹配的最佳方法是，在開始甄選過程之前，確定對工作最關(guān)鍵的能力，然后使用該信息來縮小候選人的范圍。

典型SMU應(yīng)用

研究，設(shè)計驗證，表征，性能測試，生產(chǎn)測試中的各種產(chǎn)品，設(shè)備和材料的電流/電壓（IV）表征和功能測試：

• 納米材料和裝置（石墨烯，碳納米管，納米線，低功率納米結(jié)構(gòu)）
• 半導(dǎo)體材料和器件
• 有機材料和設(shè)備（電子墨水，印刷/柔性電子產(chǎn)品）
• 能源效率和照明（LED / AMOLED，光伏/太陽能電池）
• 分立和無源組件，包括兩芯（傳感器，磁盤驅(qū)動器磁頭，二極管，齊納二極管，電容器，熱敏電阻）和三芯（小信號BJT，F(xiàn)ET等）
• 材料表征（電阻率，霍爾效應(yīng)）
• 植入式醫(yī)療設(shè)備
• 電化學(xué)測試應(yīng)用
• 電池充/放電循環(huán)
• 傳感器特性
• 光電設(shè)備（激光二極管，激光二極管模塊，光電探測器，VCSEL，顯示器）
• 電路保護設(shè)備：TVS，MOV，保險絲等
• 簡單的IC（光耦，驅(qū)動器，開關(guān)，傳感器，轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)器）
• 集成設(shè)備（SSI，LSI，模擬IC，RFIC，ASIC，SOC設(shè)備）
• 顯示測試

編輯：hfy