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[技術文章] 什麼是電源電錶SMU?用Source meter電源電錶精準量測元件的IV curve以及極小或極高的電阻!
2022-05-23

什麼是電源電錶SMU?用Source meter源表精準量測元件的IV Curve以及極小或極高的電阻!

電源電錶(Source Meter Unit, SMU)廣泛用於半導體元件、材料、醫療、LED元件與光通訊等行業,測量元件的I-V特性曲線(IV curve)、絕緣材料的電阻值(電阻率)、電容的絕緣電阻(漏電流)、光電元件的暗電流或者L-I-V等。

 

本文包含以下部分,可點選快速連結(附實際操作影片)
什麼是SMU(Source Meter Unit)電源電表
Keysight SMU內建任意波型產生功能(實際量測影片
利用SMU進行極小或極高的電阻量測(實際量測影片
利用B2980系列進行極高電阻的測試(實際量測影片
直接看影音檔: 利用SMU精確量測元件IV curve/極高或極低電阻

 

什麼是SMU(Source Meter Unit, SMU)電源電表?

電源電錶(Source Meter Unit, SMU)廣泛用於半導體元件、材料、醫療、LED元件與光通訊等行業,測量元件的I-V特性曲線(IV curve)、絕緣材料的電阻值(電阻率)、電容的絕緣電阻(漏電流)、光電元件的暗電流或者L-I-V等。電源電錶的名稱已經清晰的告訴我們,其包含了高精度電源輸出和測量,但僅僅是電源和電表的簡單拼湊嗎?為了簡要說明這個問題,本文列出了SMU的以下幾個典型的應用場景:

◆ 在測量絕緣材料的電阻值(GΩ/TΩ)或二極體的反向漏電流時,通常會需要給待測物施加電壓激活,並測量對應的電流
◆ 在測量常規小電阻,或者驅動LED發光二極體時,通常給DUT施加電流激活,測量對應的電壓值
◆ 測量電容器、鋰電池等具備儲能特性元件時,會對其進行充放電的同時,連續記錄電壓和電流

通常SMU都具備電壓源Vs、電流源Is、電流錶IM、電壓表VM四種功能,而且能夠任意搭配激活源和測量功能,按照DUT特徵選擇對應的模式。如下圖所示:

電源電表具備的四種功能-Keysight-品勛科技(圖-電源電表的四種功能)

 
和直流電源的輸出端子V+、V-不同,電源電表SMU通常將電源的輸出端稱為High Force、Lower Force。因此,電源和測量的組合有:VFIM、VFVM、IFVM、IFIM(V/I激活F + V/I測量M)。
由電壓和電流形成的直角坐標系中,按照電壓V的正負和電流I的正負,可以得到下圖 V/I的四個象限,大部分電源電表可以在任意的象限中工作。

IV四個象限-keysight SMU-品勛科技

(圖-IV的四個象限)
 
◆ DC直流電源— 第一象限
◆ DC直流電阻負載— 第二象限
◆ AC交流電源阻性負載— 第一、三象限
◆ FG波型產生器— 第一、三象限
 
通常電源電表SMU採用的都是施加恒定的直流電壓,同時進行電流的測量。如絕緣材料高阻、電容器的絕緣電阻的測量等。但很多待測物DUT的測量需要施加特定的激活波形,如二極體的IV特性測量,需要在指定的電壓或電流範圍內,逐點改變電壓V或電流I的值,並測量出對應的I或V,畫出曲線;在測量VSCEL、MOSFET等激活電流較大的元件時,為避免元件特性變化,甚至熔斷,也通常會採用脈衝替代直流激活等;鋰電池的交流內阻ACR測量,需要給電池注入特定頻率和幅度的電流正弦波。

是德科技的B2900、M9600等系列電源電表,內置波形產生器功能,配合強大的觸發機制、可輕鬆實現直流、脈衝、掃描以及任意自訂波形激活功能。

Keysight-B2900-SMU-電源電表

keysight電源電表具備任意波型產生功能(圖-Keysight電源電表具備任意波型產生器功能)

 
需要注意的是,電源電表SMU的脈衝電壓和電流最小脈衝寬度、上升/下降沿的典型指標,以 B2900系列電源電表為例,可以到達10A/100uS級的電流脈衝、或210V/1mS級的電壓脈衝;而M9603A PXI高速電源電表可以輸出10A/10uS的電流脈衝。
電源電表的精度固然極高,但在脈衝或IV掃描時,如果不明確待測物的特性,就很有可能測量結果與真實值存在非常大的偏差。如下圖所示,當測量點為藍色圓圈●區域時,測量結果偏離實際回應點;

設定脈衝值與真實值之誤差

(圖-設定脈衝值與真實值之誤差)
 
再看下圖時,回應隨機波動或存在雜訊,需要增大測量積分時間消去波動或雜訊影響。

響應隨機波動需要增加測試時間 

(圖-響應隨機波動需要增加測試時間)
 
因此,精確測量出待測物DUT在激勵下的電壓和電流響應波形是非常重要,通常會借助傳統示波器來觀察電源電表測量的電壓或電流波形,但礙於示波器的解析度、靈敏度、雜訊等問題,這種努力往往徒勞!

 
使用是德B2900進行微小訊號掃描(多通道IV Curve)影片 


 
B2900、M9600等系列電源電表內置取樣速率高達15MSa/s的高解析度數位化儀,靈活的電源、測量觸發機制,以及Quick IV 軟體,可以輕鬆定制測量的起始位置和測量視窗長短。

Keysight SMU即時波型顯示來優化量測參數

Quick IV Measurement Software 軟體,操作簡單、圖形清晰,支援一鍵式I-V curve伏安特性掃描等,支援B2900系列桌上型電源電表和M9600 PXI 模組化SMU。

Keysight Quick IV Measurement Software

(圖-Quick IV)
 
以上介紹了電源電表SMU的基本功能,包括四象限的電壓源或電流源,電壓表或電流錶,脈衝或任意波形產生器,精密電壓和電流示波器,電壓或電流掃描器等。然而多通道電源電錶應用也非常的典型,是德科技除了提供單/雙通道桌上型電源電錶B2900系列,還有M9600 PXI模組式電源電錶,搭配M9018B(18插槽主機殼)可形成高達85通道的電源電錶系統。
 
二極體、三極管、光電感測器、MOS-FET等半導體元件或材料,由於介於絕緣體和導體的特性,電流範圍非常大,固定的一個量程不可能覆蓋。許多的電源電錶SMU具備自動量程功能,會依據待側訊號的大小自動改變其量程,以覆蓋超大的量程挑戰。最新上市的M9603A與M9615A PXI SMU模組式電源電錶,更是採用了專利的“無縫量程切換”技術,進一步節省量程切換時間以及由於量程切換帶來的訊號影響。

除此之外,電源電錶SMU還可用於極小或極高的電阻量測!

使用Keysight B2900系列SMU進行超小電阻量測實測影片

電阻值在Ω級至MΩ級範圍內時,數位萬用電錶就可以有很好的表現。倘若需要進行更小電阻量測,常常會碰到量測出來的數值有很大誤差的問題,這是為什麼呢?原因在於數位萬用電表的電阻測量方法是利用“歐姆定律”進行,R =U/I,量測電阻元件上施加一個激活電流,然後去測量元件兩端的電壓來計算出電阻值。但如果我們查一下數位萬用電表的產品規格書,會發現這個激活電流最高是1mA,它在10mΩ電阻兩端造成的壓降是10uV,然而數位萬用電表最小量程是100mV,兩者相差了1萬倍!其測量誤差也就極其可觀了!
 
由於電源電表同時具備高精度的電流源和電壓測量能力,其量程和精度更是媲美六位半電表。因此,我們可以使用SMU注入更高的電流,同時也獲得更精準的電阻測量結果。以下圖來看,注入1A電流的量測結果比注入100mA電流來的精準,因此我們可以說量測精度會隨著注入電流的增大而得到提升,這也是為什麼我們說電源電錶SMU還可用於極小或極高的電阻量測!
 

1A 注入電流的量測结果


↑ 1A 注入電流的量測结果

100mA 注入電流的量測结果



↑ 100mA 注入電流的量測结果

那麼,若需要進行極高電阻的測試,B2900系列也行嗎?

當然可以!B2900系列中的B2985B/B2987B靜電錶/高阻計非常可以

使用Keysight B2980系列進行超高電阻量測

數位萬用電表測量電阻的量程通常在1GΩ以下。如果需要測量更高的電阻,或者絕緣材料的直流電阻,就非具備高阻測試能力的高阻計莫屬了。B2985B/B2987B靜電計/高阻計可以提供1000V的測量電壓, 以及fA級的電流測量解析度。以測量1TΩ(1 x 1015 Ω)電阻為例,1000V的測試電壓,電流值1pA (1x10-12 A),這對量測儀器的要求極高,包括數位萬用電表等的其他量測儀器對此都無能為力。

我們通常在施加激發訊號的一段時間後執行電阻率量測,因為絕緣材料的電阻率通常不會很快收斂於一個穩定值,因此任何的電阻率規格都必須對應到電阻率量測時間點。可指定在執行電阻率在何時到達什麼狀態。利用B2980B 系列,可指定施加激發信號(帶電)後執行量測的確切時間。藉由查看B2980A 系列的時域圖,還可了解從開始施加激發信號到最終量測時間,過程中的電阻率的變化。Keysight-B2987B-B2985B-高阻計-靜電計

 
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利用SMU精確量測元件IV curve/極高或極低電阻

* 規格介紹:Keysight B2900系列-精密電源量測系統(source meter)/低雜訊電源
* 延伸查看:Keysight B2980系列 微電流錶(Pico/Femto)、靜電錶、高阻計(可電池供電)

 

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