什么是源表SMU?
源表(Source Meter Unit, SMU)廣泛用于半導體器件、材料、醫療、發光器件與光通信等行業,測量器件的伏安(I-V)特性曲線、絕緣材料的電阻值(電阻率)、電容的絕緣電阻(漏電流)、光電器件的暗電流或者L-I-V等。
源表SMU的名稱已經清晰的告訴我們,它包含了高精度電源輸出和測量, 但它僅僅是電源和萬用表的簡單拼湊嗎?為了簡要說明這個問題, 我以下列出了源表的幾個典型的應用場景:
在測量絕緣材料的電阻值(GΩ/TΩ)或 二極管的反向漏電流時,通常給被測件DUT施加電壓激勵,并測量對應的電流;
在測量常規小電阻, 或者驅動LED發光二極管時,通常給DUT施加電流激勵,測量對應的電壓值;
測量電容器、鋰電池等具備儲能特性器件時,會對其進行充放電的同時, 連續記錄電壓和電流。
通常源表SMU都具備電壓源 Vs、電流源 Is、電流源 IM、電壓表 VM四種功能,而且能夠任意搭配激勵源和測量功能,按照被測DUT特征選擇對應的模式。如下圖所示,

VFIM:電壓激勵測電流
VFVM:電壓激勵測電壓
IFIM:電流激勵測電流
IFVM:電流激勵測電壓
與直流電源稱輸出端子V+、V-不同,源表SMU通常將源的輸出端子稱為High Force、Lower Force。因此,源和測量的組合有:VFIM、VFVM、IFVM、IFIM (V/I激勵F + V/I測量M)。
在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,可以得到上圖 V/I的四個象限,大部分源表可以工作在任意的象限。

DC 直流電源一 第一象限;
DC 直流電阻負載— 第二象限
C 交流電源阻性負載—第一、三象限;
FG 函數發生器—-三象限
高性能精密源表,內置波形發生器功能,配合強大的觸發機制、可輕松實現直流、脈沖、掃描以及任意自定義波形激勵。


需要注意的是,源表SMU的脈沖電壓和電流最小脈沖寬度、 上升/下降沿的典型指標,以 Keysight B2900系列源表為例, 可以到達 10A/100uS級的電流脈沖、 或 210V/1mS級的電壓脈沖。
源表的精度固然極高, 但在脈沖激勵或IV掃描時,如果不明確被測件的特性, 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,測量結果偏離實際響應點; 響應隨機波動或存在噪聲,需要增大測量積分時間消去波動或噪聲影響。

因此,精確測量出被測件DUT在激勵下的電壓和電流響應波形是非常重要!
下圖顯示簡化的 SMU 等效電路:

圖 — 簡化的 SMU 電路圖
由于 源/測量單元或 SMU 必須測量非常低的電流 (1fA 或更低),根據上一章討論的理由,它們總是使用三軸輸出。
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