吉時(shí)利大陣列持續(xù)推動(dòng)源測(cè)量單元儀器技術(shù) - 全文

　　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(yīng)、能夠回讀電壓和電流的源，具有高精度測(cè)量的能力，緊密地集成在單封閉機(jī)箱內(nèi)。它們?cè)O(shè)計(jì)用于線路和設(shè)備評(píng)估，必須在測(cè)試設(shè)備上(DUT)施加一個(gè)直流信號(hào)，并且需要對(duì)被測(cè)信號(hào)做出響應(yīng)。SMU具有四象限運(yùn)行(圖1)的能力，作為正負(fù)直流電源或吸收(負(fù)載)。它們還提供高度可重復(fù)的測(cè)量，通常具有5?-或6?-的數(shù)字分辨率。 SMU通常對(duì)用于確定被測(cè)設(shè)備I-V特性的電流和電壓進(jìn)行掃描。由于這些優(yōu)勢(shì)，SMU已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，并且是許多自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的通用部件。

四象限SMU設(shè)計(jì)

　　圖1 四象限SMU設(shè)計(jì)

　　有些主張與此相反，認(rèn)為傳統(tǒng)儀器在測(cè)試與測(cè)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)隨著時(shí)間的推移而過時(shí)，但是在系統(tǒng)中單獨(dú)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(yīng)用提供最快、最準(zhǔn)確、最靈活的解決方案?！安考盨MU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(hào)范圍

　　針對(duì)多類型裝置的測(cè)試，期望測(cè)試設(shè)備具有工作在寬范圍信號(hào)等級(jí)的能力。例如，功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電阻非常低，通過極大的電流，但是關(guān)斷時(shí)的電阻非常高，并允許流過幾乎為零的電流。MOSFET處于開通狀態(tài)時(shí)，電流高達(dá)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(duì)于這類器件，當(dāng)施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時(shí)，流過器件的電流非常低。當(dāng)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(jí)。當(dāng)偏置電壓達(dá)到并超過閾值電壓時(shí)，測(cè)試電流快速增加，達(dá)到幾十甚至幾百安培，這個(gè)電流值取決于設(shè)備。期望測(cè)試設(shè)備能在寬范圍內(nèi)具有精確測(cè)量的能力，這樣可以減少所需測(cè)試設(shè)備的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

　　圖2 吉時(shí)利SMU和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的動(dòng)態(tài)范圍比較

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

　　一些基于SMU儀器的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手宣稱，型號(hào)2636A雙通道系統(tǒng)源表儀器具有相同的動(dòng)態(tài)覆蓋范圍，測(cè)量10A降至10fA的信號(hào)。然而，當(dāng)比較每一個(gè)SMU(圖2)測(cè)量范圍時(shí)，很明顯型號(hào)2636A在電流幅值上比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著型號(hào)2636A不是必須依賴其測(cè)量范圍的最低有效位和最低精度位來實(shí)現(xiàn)真正的寬動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于儀器用戶，在低電流測(cè)量的準(zhǔn)確度方面提供了更大的信心。

　　部件SMU的供應(yīng)商也宣稱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(shè)備能夠提供多大的功率，大多數(shù)部件SMU最大輸出100mA的電流。在低端范圍，對(duì)于各種實(shí)際的低壓測(cè)量，所有設(shè)計(jì)在較小空間、具有不充分屏蔽的線路的電磁干擾會(huì)產(chǎn)生過多的電噪聲。結(jié)果就是通常看不到部件SMU的任何電流低于10微安。

　　最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　測(cè)試設(shè)備制造商總是盡力推動(dòng)從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)字引擎得到升級(jí)，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(cè)量本身的時(shí)間。由于卓越的抗噪能力，大多數(shù)SMU使用積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行測(cè)量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測(cè)量的質(zhì)量直接與時(shí)間相關(guān)，因?yàn)樗黄冗\(yùn)行的很快，因此測(cè)量的質(zhì)量被降低。

　　通過將輸入信號(hào)的值轉(zhuǎn)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(cè)量結(jié)果。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙斜率積分ADC，這種關(guān)系表示為Vin = VREF(td / tc)，其中Vin是被測(cè)信號(hào)，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。通過對(duì)電容充電一段時(shí)間，輸入信號(hào)的噪聲尖峰經(jīng)過平均后輸出，因此在測(cè)量中最大程度地減少了噪聲，提高了精度。對(duì)充放電周期中固定速率時(shí)鐘的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此來測(cè)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(shù)，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(dāng)允許流過更長時(shí)間時(shí)，tc計(jì)數(shù)變得更大，它提高了參考電壓(Vref)被拆分的步長數(shù)。簡(jiǎn)單地說，tc計(jì)數(shù)變長，測(cè)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(cè)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(cè)量的分辨率。吉時(shí)利數(shù)字源表儀器使用積分ADC，但是為了應(yīng)對(duì)速度提升帶來的分辨率的損失，他們引入了具有增強(qiáng)型多斜坡降低方法的積分ADC來替代更多的傳統(tǒng)的雙斜率方法。增強(qiáng)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(cè)量分辨率。這種類型的積分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(shù)。

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

　　吉時(shí)利型號(hào)2651A高功率源表儀器包含一個(gè)積分ADC和18位高速數(shù)字化ADC，具有每秒讀出高達(dá)百萬個(gè)讀數(shù)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(cè)量分辨率。

型號(hào)2651A的18位高速數(shù)字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖

　　圖3：型號(hào)2651A的18位高速數(shù)字化ADC捕獲300微秒50A的脈沖

　　圖3解釋了型號(hào)2651A高數(shù)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(hào)2651A不需要額外的測(cè)試設(shè)備，也可以準(zhǔn)確地捕捉設(shè)備的瞬態(tài)及熱效應(yīng)。

　　多通道的可擴(kuò)展性

　　無論單個(gè)SMU可能的速度有多快，當(dāng)集成到系統(tǒng)中性能降低的話，它的優(yōu)點(diǎn)也被浪費(fèi)。部件SMU本質(zhì)上較少受這個(gè)問題的影響，這要?dú)w功于他們的高速及通過PCI或PCIe背板(133MB / S的PCI 250MB / S的PCIe x1)連接到主機(jī)系統(tǒng)的低延遲。相反地，基于儀器的SMU是通過外部總線如GPIB和主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，GPIB的速度只是背板速度(1.8MB / s標(biāo)準(zhǔn))的一小部分。吉時(shí)利的工程師在設(shè)計(jì)2600A系列源表儀器時(shí)意識(shí)到了這點(diǎn)，并通過使用測(cè)試腳本處理器(TSP?)使其脫離主機(jī)系統(tǒng)自主運(yùn)作，并通過稱為TPS-Link?的技術(shù)的高速、低延遲總線進(jìn)行相互通信和同步。

　　傳統(tǒng)的基于儀器源測(cè)量單元(SMU)要求每次從主機(jī)的一條總線傳送一個(gè)命令，因?yàn)樗袃x表共用一條總線，每次只能供一個(gè)儀表使用和通信。由于總線速度緩慢，大部分時(shí)間用于在總線和儀表之間發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而其他儀表經(jīng)常閑置。TSP技術(shù)允許儀器自主運(yùn)行主機(jī)系統(tǒng)的測(cè)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(cè)量儀表，就可以執(zhí)行整個(gè)測(cè)試序列，主機(jī)只需要傳送一個(gè)命令：指示儀器運(yùn)行腳本。

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

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

　　與組件源測(cè)量單元(SMU)不同，利用TSP-Link技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通道擴(kuò)展不限于主機(jī)的少數(shù)插槽。TSP-Link技術(shù)的無主機(jī)擴(kuò)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(cè)量單元(SMU)通道的系統(tǒng)。此外，由于源測(cè)量單元(SMU)是基于儀表的，可用電源數(shù)量不限于底板提供的電源。即使在基于大功率組件源測(cè)量單元(SMU)系統(tǒng)中，某些型號(hào)也只能提供最大84W的電源。通過接口TSP-Link可以連接32個(gè)2651A型大功率源數(shù)據(jù)儀表，這樣創(chuàng)建的系統(tǒng)就可以提供6.4kW直流電源。

　　TSP-Link技術(shù)提供了一流的系統(tǒng)擴(kuò)展方法，不需要昂貴的GPIB適配器和線纜，而且通過大量減少儀表與主機(jī)之間通信數(shù)量，可以提高系統(tǒng)吞吐量。不過，TSP-Link技術(shù)的真實(shí)功率在于其同步運(yùn)行多個(gè)測(cè)試提高吞吐量的能力。除了源測(cè)量單元(SMU)，無論它們是在底板上基于組件的SMU還是在GPIB總線上基于儀表的SMU，訪問總線是受限的，主機(jī)每次必須向每個(gè)SMU發(fā)送命令。為系統(tǒng)增添更多的SMU意味著增加主機(jī)必須處理的器件數(shù)量，主機(jī)必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統(tǒng)中，每次只能向一個(gè)SMU發(fā)送命令，因此所有測(cè)試都必須按順序進(jìn)行。

　　再通過TSP-Link接口連接的系統(tǒng)中，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的儀表進(jìn)行分組，每組擁有自己的測(cè)試腳本處理器，能夠與系統(tǒng)中的任何其他組并行運(yùn)行腳本。分組中可以包括單一源數(shù)據(jù)表或多個(gè)源數(shù)據(jù)表，而且通?？梢愿鶕?jù)測(cè)試器件所需的SMU通道數(shù)量進(jìn)行分組。例如，如果正在測(cè)試的器件是一個(gè)四端口(柵極、漏極、源極、基極)MOSFET，對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)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(shù)據(jù)表，如2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表。一旦確定分組而且為每組指定運(yùn)行的腳本，主機(jī)就可以通過一個(gè)命令指示所有組開始并行運(yùn)行。由于在內(nèi)存中已經(jīng)存儲(chǔ)每組的腳本，主機(jī)只需再次發(fā)送命令就可以進(jìn)行反復(fù)測(cè)試。

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

　　? 主機(jī)發(fā)送開始執(zhí)行的命令。

　　? 腳本運(yùn)行并對(duì)器件進(jìn)行一系列完整的測(cè)試。

　　? 數(shù)據(jù)反饋至主機(jī)，同時(shí)探測(cè)臺(tái)將探針移至下一個(gè)測(cè)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(cè)試60個(gè)點(diǎn)位。如果為TSP-Link網(wǎng)絡(luò)添加另外一組，測(cè)試仍然只需1秒鐘完成。不過，增加第二組后，有可能對(duì)兩個(gè)器件并行測(cè)試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測(cè)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(tǒng)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(shù)據(jù)表選擇了輸入/輸出連接器，旨在為目標(biāo)應(yīng)用提供最大性能。對(duì)于中級(jí)信號(hào)范圍，banana連接非常適合傳輸信號(hào)并提供最大的易用性，這也是2400 系列源數(shù)據(jù)表提供這種連接的原因。不過，對(duì)于那些電流很大或很小的應(yīng)用H，banana連接則不能支持所需的性能等級(jí)，因襲必須使用其他連接器。

　　對(duì)于像2651A型大功率源數(shù)據(jù)表這樣的大電流源數(shù)據(jù)表，其直流電流高達(dá)20A，脈沖電流高達(dá)50A。

　　常見的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達(dá)10 mΩ。在50A電流時(shí)，僅這個(gè)接觸電阻就將帶來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(dá)76A DC。這種連接器的電流容量額定值不僅足以滿足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會(huì)在測(cè)試引線產(chǎn)生過大的壓降，從而實(shí)現(xiàn)了性能最大化，減緩上升和穩(wěn)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柱已進(jìn)行匹配，提高了易用性。

　　對(duì)于電流低于1毫微安培的應(yīng)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(shù)據(jù)表，如237型高壓源測(cè)量單元、2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表以及6430型亞FA程控?cái)?shù)據(jù)源表，都使用三軸連接器的原因。標(biāo)準(zhǔn)的三軸連接器可以在1500V高壓下安全運(yùn)行，并涵蓋這些儀表的輸出電壓容量。不過，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實(shí)際上通過保護(hù)測(cè)試信號(hào)，幾乎可以杜絕漏電流。

　　解釋受保護(hù)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(hù)得同軸連接進(jìn)行比較。同軸連接是在中心導(dǎo)體周圍包裹一層屏蔽，二者之間是絕緣層。SMU的HI信號(hào)施加到中心導(dǎo)體，LO信號(hào)加于屏蔽層，如圖5所示。

未受保護(hù)的同軸連接

　　圖5: 未受保護(hù)的同軸連接

　　在同軸連接中，中心導(dǎo)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(cè)器件(RDUT)相連。這個(gè)額外的電流路徑產(chǎn)生漏電流(IL)，疊加到通過待測(cè)器件的電流(IDUT)，得到測(cè)量電流(IM)。

　　假設(shè)RDUT是200GΩ，測(cè)試電壓是200V。根據(jù)歐姆定律(I = V/R)可知，預(yù)計(jì)通過待測(cè)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(shè)電纜長度是1米，那么由于電纜泄露流出的電流就是200V/2TΩ = 100pA?？紤]到測(cè)量得到的電流是通過待測(cè)器件電流和漏電流之和，因此測(cè)量得到的電流是1.1nA (1nA + 100pA = 1.1nA)。因此，計(jì)算出來的電阻是181.818GΩ (200V/1.1nA = 181.818GΩ)，誤差為9.1% [(200GΩ – 181.818GΩ)/200GΩ * 100% = 9.1%]。隨著電纜長度的增加，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的誤差就更大。

　　相反，利用三軸連接，中心導(dǎo)體被內(nèi)部屏蔽層和外部屏蔽層所包圍。與同軸連接相似，中心導(dǎo)體傳輸HI信號(hào)，外部屏蔽層傳輸LO信號(hào)。但是，內(nèi)部屏蔽層有一個(gè)專門用途：傳輸保護(hù)信號(hào)。

受保護(hù)的三軸連接