自20年前推出SMU以來，源測量單元（SMUs）已演變成一個多用途的儀器類別，人們經(jīng)常要求SMU解決電子行業(yè)應(yīng)用的快速擴大陣列：
半導(dǎo)體設(shè)備制造，工藝開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)/設(shè)計
電子產(chǎn)品的生產(chǎn)驗證，如便攜式無線設(shè)備
器件所需新型先進材料的生產(chǎn)和開發(fā)，如太陽能電池和高亮度LED
幾乎所有電子設(shè)備的測試應(yīng)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，具有高精度測量的能力，緊密地集成在單封閉機箱內(nèi)。它們設(shè)計用于線路和設(shè)備評估，必須在測試設(shè)備上（DUT）施加一個直流信號，并且需要對被測信號做出響應(yīng)。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(fù)的測量，通常具有5 -或6 -的數(shù)字分辨率。 SMU通常對用于確定被測設(shè)備I-V特性的電流和電壓進行掃描。由于這些優(yōu)勢，SMU已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，并且是許多自動化測試系統(tǒng)的通用部件。
圖1 四象限SMU設(shè)計
有些主張與此相反，認為傳統(tǒng)儀器在測試與測量行業(yè)仍然是一個重要的、逐漸增多的部件。雖然特定的通信接口（GPIB，RS - 232等）可能會隨著時間的推移而過時，但是在系統(tǒng)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(yīng)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特定的外形因子。
最寬的可用功率和信號范圍
針對多類型裝置的測試，期望測試設(shè)備具有工作在寬范圍信號等級的能力。例如，功率MOSFET導(dǎo)通時的電阻非常低，通過極大的電流，但是關(guān)斷時的電阻非常高，并允許流過幾乎為零的電流。MOSFET處于開通狀態(tài)時，電流高達幾十安培，關(guān)斷時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態(tài)范圍要求，其全部特性也相似。對于這類器件，當施加的正向偏置電壓低于閾值電壓時，流過器件的電流非常低。當電壓從0V至閾值電壓掃描時，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閾值電壓時，測試電流快速增加，達到幾十甚至幾百安培，這個電流值取決于設(shè)備。期望測試設(shè)備能在寬范圍內(nèi)具有精確測量的能力，這樣可以減少所需測試設(shè)備的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
圖2 吉時利SMU和競爭對手的動態(tài)范圍比較
吉時利數(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，型號2636A雙通道系統(tǒng)源表儀器具有相同的動態(tài)覆蓋范圍，測量10A降至10fA的信號。然而，當比較每一個SMU（圖2）測量范圍時，很明顯型號2636A在電流幅值上比競爭產(chǎn)品低兩個數(shù)量級。這意味著型號2636A不是必須依賴其測量范圍的最低有效位和最低精度位來實現(xiàn)真正的寬動態(tài)范圍。對于儀器用戶，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(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，對于各種實際的低壓測量，所有設(shè)計在較小空間、具有不充分屏蔽的線路的電磁干擾會產(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
測試設(shè)備制造商總是盡力推動從SMU每秒讀出更多的讀數(shù)。SMU的數(shù)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）來進行測量，并可以更好的獲得精確的高分辨率結(jié)果。然而，從積分ADC得到的測量的質(zhì)量直接與時間相關(guān)，因為它被迫運行的很快，因此測量的質(zhì)量被降低。
TSP-Link技術(shù)提供了一流的系統(tǒng)擴展方法，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)的真實功率在于其同步運行多個測試提高吞吐量的能力。除了源測量單元（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，主機每次必須向每個SMU發(fā)送命令。為系統(tǒng)增添更多的SMU意味著增加主機必須處理的器件數(shù)量，主機必須向其發(fā)送命令。由于在這些系統(tǒng)中，每次只能向一個SMU發(fā)送命令，因此所有測試都必須按順序進行。
再通過TSP-Link接口連接的系統(tǒng)中，可以對網(wǎng)絡(luò)中的儀表進行分組，每組擁有自己的測試腳本處理器，能夠與系統(tǒng)中的任何其他組并行運行腳本。分組中可以包括單一源數(shù)據(jù)表或多個源數(shù)據(jù)表，而且通常可以根據(jù)測試器件所需的SMU通道數(shù)量進行分組。例如，如果正在測試的器件是一個四端口（柵極、漏極、源極、基極）MOSFET，對晶圓進行測試，而且每個管腳需要一個SMU，那么可以將其分組為兩個雙通道源數(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行的腳本，主機就可以通過一個命令指示所有組開始并行運行。由于在內(nèi)存中已經(jīng)存儲每組的腳本，主機只需再次發(fā)送命令就可以進行反復(fù)測試。
以晶片上的4端口MOSFET為例，假設(shè)一個TSP-Link網(wǎng)絡(luò)包括一個組以及一個完整的測試序列，步驟如下：
主機發(fā)送開始執(zhí)行的命令。
腳本運行并對器件進行一系列完整的測試。
數(shù)據(jù)反饋至主機，同時探測臺將探針移至下一個測試點。
如果整個序列需要1秒鐘完成，那么照此速度，每分鐘就可以測試60個點位。如果為TSP-Link網(wǎng)絡(luò)添加另外一組，測試仍然只需1秒鐘完成。不過，增加第二組后，有可能對兩個器件并行測試，因此吞吐量將翻倍，即每分鐘測試120個點位。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，旨在為目標應(yīng)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(shù)據(jù)表提供這種連接的原因。不過，對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，因襲必須使用其他連接器。
對于像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20A，脈沖電流高達50A。
常見的banana連接器的額定電流是15A，接觸電阻高達10 mΩ。在50A電流時，僅這個接觸電阻就將帶來0.5V的壓降。吉時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足2651A型儀表需求，而且其接觸電阻非常低，不會在測試引線產(chǎn)生過大的壓降，從而實現(xiàn)了性能最大化，減緩上升和穩(wěn)定時間。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行匹配，提高了易用性。
對于電流低于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。這也是吉時利公司的源數(shù)據(jù)表，如237型高壓源測量單元、2636A型雙通道系統(tǒng)源數(shù)據(jù)表以及6430型亞FA程控數(shù)據(jù)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，使用三軸連接器的最大益處是將漏電流減到最小，實際上通過保護測試信號，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單方法是將其與未受保護得同軸連接進行比較。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信號施加到中心導(dǎo)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(dǎo)體和屏蔽層之間的絕緣體形成阻抗路徑（RL），它以并聯(lián)方式與待測器件（RDUT）相連。這個額外的電流路徑產(chǎn)生漏電流（IL），疊加到通過待測器件的電流（IDUT），得到測量電流（IM）。
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