标签: 数字源表

1、前言 在半导体和集成电路工艺中，材料、晶圆、芯片的测试是必不可少的环节。随着半导体测试技术的发展，数字源表SMU结合探针台的系统组合已经被广泛应用于材料/微小器件的电学特性验证中。数字源表SMU具备源测功能，可以产生电流-电压(I-V)特性曲线，是半导体材料、器件电性能表征测量的核心；探针台有手动、半自动和全自动三种，根据测试需要选择配套的产品即可。在选用时需要注意探针的材质以及针尖的直径与形状，探针材质不同，其阻抗也不相同；此外，探针尖磨损和污染也会对测试结果造成影响。 在测试时， 通过数字源表提供激励并对测量信号进行采集 。首先将电流或电压输入被测器件（DUT），测量该器件对此输入信号的响应；这些信号的路径为：源表的输出端接入电缆，电缆和探针连接，电流或电压信号通过探针至芯片。 图：SMU、探针、DUT连接示意 下文中，我们将探讨数字源表SMU和探针台的连接注意事项，以及不同材料/器件的测试应用案例。 2、数字源表SMU与探针台的连接 探针台与源表的连接常见有两种，一种使用同轴线连接，另一种使用三同轴线连接。当测量小电流(nA、pA)时，应使用三同轴转接模块和三同轴线缆。在接入源表保护端的测试电路中，由于三同轴的保护层与内芯之间是等电位，不会有漏电流产生，能够提高小电流测试精度。 图：三同轴线缆半剖图 （1导体；2绝缘；3内屏蔽层；4中间层；5外屏蔽层；6外护套） 图：三同轴线缆等效电路图 上图所示为三同轴线缆等效电路图，输出高端HI和Guard之间的电位差几乎为0，从而消除线缆自身的漏电流。 以下是使用普赛斯直流源表、脉冲源表、高压源表、大电流源表与探针台的接线说明： S系列直流源表 - 两同轴连接 - 使用香蕉头转BNC母头的转接头进行连接； - 三同轴连接 - 三同轴连接器与普通两芯连接器有所不同，可同时接驳信号、接地和屏蔽层，屏蔽效果好。和多芯线缆相比，三同轴线缆结构简单，可靠性高；和两芯同轴线缆相比，具有更高的屏蔽性能和小信号的传输能力。三同轴线缆的连接方式使用了GUARD信号，起到了屏蔽作用，更有利于小信号的测量。 P系列脉冲源表 - 两同轴连接 - 使用杜邦线转BNC母头进行连接； - 三同轴连接 - 使用三同轴转接模块进行连接。 E系列高压源表 - E100(1200V) - 直接使用三同轴线进行连接； - E200(2200V)/E300(3500V) - 将普通的三同轴更换为高压专用三同轴线； 高压三同轴接头的耐压能力较强，普赛斯使用的高压三同轴接头可以耐压3500V。 图：左-高压三同轴、右-普通三同轴 HCPL 100大电流源表 大电流测量时，单根探针容许的电流有限，电流过大可能会引起烧针现象，影响测试结果，因此需要使用多探针并联。 图：多探针并联示意 3、探针台与器件的连接 在不同的材料测试中可能会遇到共面电极或异面电极的材料。共面电极指阳极和阴极在同一平面；异面电极指阳极和阴极不在同一平面，常见为正反面。 图：共面电极连接示意 图：异面电极连接示意 4、测试注意事项 -探针台接地： 探针台结构上有很多金属，在带电的环境下会存在很强的静电，一般探针台会自带大地连接线，使用中将探针台接大地，避免释放静电给测试带来影响。一般地线分为两类：一种是工作接地，另一种是安全性接地。工作接地是把金属导体铜块埋在土壤里， 再通过导线引出地面，将导线接入设备的接地端口，形成接地回路。安全性接地是指使用探针台金属外壳自带的接地线进行接地，当探针台金属外壳发生绝缘损坏，外壳带电时，电流沿着其外壳自带的接地线接入大地，以达到安全的目的。 -连接线接地： 探针台的连接线为同轴线，两根同轴线的内芯是信号线，从而导致两根同轴线的外屏蔽层悬空，未起到屏蔽的作用，在磁场环境复杂的情况下会对测试产生较大的干扰。因此，为了获得较好的测试效果，需要将同轴线缆的外屏蔽层接入工作地线。 -关闭光源： 很多器件和材料对光源敏感，测试中如果不关闭光源会影响测试结果，所以测试时尽量在无光源影响的环境中进行。 -小电流测试时加屏蔽罩： 如果测试电流为pA级别，需要给探针台增加屏蔽罩。 -异面电极材料连接： 异面电极材料连接时通常会使用探针台Chuck盘做电极，但是Chuck盘的平整度会对材料的接触面有影响，那么此时就需要使用引电极。

柔性电子材料及其应用 柔性电子是将无机/有机器件附着于柔性基底上形成电路的技术。相对于传统硅电子,柔性电子是指可以弯曲、折叠、扭曲、拉伸、甚至变形成任意形状但仍保持高效光电性能、可靠性和集成度的薄膜电子器件。柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等,包括:RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。 柔性电子材料动态测试 柔性电子材料在使用过程中会被反复弯折扭曲,在此过程中材料表面和内部的应力状态和微观结构都会逐渐发生变化,进而影响材料的电学性能和寿命。用多次反复弯折扭曲等方法来测试柔性材料的耐疲劳性,稳定性和寿命衰减特性已经逐渐成为柔性电子器件不可缺少的表征手段。 柔性电子材料动态测试难点 为了保证柔性电子的正常使用，柔性测试时尤其要注意柔性材料折叠装置与I-V测试设备材料应用在电路中时必须要对柔性材料的电学特性做一个详细的了解。因为柔性材料在形变后他的阻抗会发生变化,并且形变程度不同,阻抗的变化也不同。需要进行1-V特性测试,并实时监测V-t、1-t以及R-t的变化曲线，且在测试时尤其要注意柔性材料折叠装置与I-V测试设备间的同步问题。传统测试柔性电子材料的电学特性都是人工测量,需要一台电压源,电流表,再手动算出电阻值的变化。而电源或者万用表只能当作源或者表来使用,相互搭配完成I-V测量,不能满足一机多用的测试场景,而且对于测量精度要求较高及与折叠装置同步要求 测试面临的挑战 依赖手动测试，缺乏标准化的测试系统 缺少软件,难以实时监测I-V的变化曲线 普赛斯提供标准化、高效率“动态’测试系统 配备多种测试系统夹具 可以模拟出拉、扭、弯、择、卷等5种基本动作，11个基础模拟测试动作;配套软件，自动描绘材料的I-V的曲线。 普赛斯深耕半导体I-V测试领域,一-直致力于自主研发国产源表产品,并率先推出S系列高精度数字源表,集电压、电流的输入输出及测量等功能于一体,同时还可以作为电子负载来吸收能量。最大电压300V,最小电流100pA,输出精度达到0.1%,最大功率为30W,实现快速、精准的测量材料的电参数,广泛应用于印刷电极、导电高分子、石墨烯、传感器、柔性太阳能电池、OLED以及电子皮肤等柔性电子材料的I-V特性测试场景。

太阳能电池也叫光伏电池，其发电过程主要有三部分：D一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子-空穴对或偶极子；第二，非平衡电子和空穴从产生处向势场运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三，非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反的方向运动而分离。在制作出太阳能电池后要对其进行测试和表征，以反映所得电池的性能。 太阳能电池从研发到生产，每个环节都有不同的测试需求，其光电特性包括伏安I-V特性分析对推导有关太阳能电池性能的重要参数至关重要，主要包括蕞大电流I MAX 和电压V MAX 、开路电压V OC 、短路电流I SC 、填充因子FF 以及转换效率η等。 为何选择数字源表来进行太阳能电池的I-V测试？ 许多半导体和电子装置测试都涉及要尽可能快地输出电压和测量电流。整体测试时间是由充电时间、测量时间、放电时间，以及设定和处理测试时间所组成的函数。传统的电源只能输出电压或电流，而无法作为 负载吸收 能量，而数字源表（SMU）是一种可以提供完整的四象限运行的精密仪表，当工作在第2和第4象限时，可以作为阱（负载）吸收能量，工作在第1和第3象限时，可以作为源输出能量，而且在源或阱模式下能同时测量电压、电流和电阻。数字源表（SMU）综合了电流源、电压源、电流表、电压表及电子负载的功能，并能够轻松地在这些不同功能之间进行切换。这使它能够独立测量器件在所有四个测量象限中的I-V特性,不需要使用任何其他设备。这将J大改善测试时间、简化整体测试系统设计，并提升可用性。 除了能够非常晶确地输出和测量电压或电流输出大小,数字源表（SMU）还具有一致性测量特性,可以限定电压或电流输出大小,预防器件损坏。 普赛斯数字源表（SMU） 易于整合其它设备来构建完整的测量解决方案 自2015年开始，普赛斯致力于数字源表的研究，并于2019年率先实现数字源表的国产化，陆续推出了高精度数字源表、插卡式源表等产品，并联合行业知名厂商为用户打造科研级单通道及多通道太阳能电池I-V测试系统，为光伏器件的研究、质检以及应用提供可靠的工具，旨在帮助科研学者节约时间用于下一个科研突破。同时提供了不同的选型配置，满足不同功率和精度的测试需求。 太阳能电池 单通道 I-V测试方案 单通道I-V测试系统以普赛斯数字源表为核心，搭载3A级太阳能模拟光源、测试样品台以及砖用I-V测试软件等组成。 高精度 数字源表： 普赛斯S系列源表是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态范围、数字触摸的率先国产化源表，集电压、电流的输入输出及测量等多种功能，蕞大电压300V，蕞大电流1A，支持四象限工作，适用于 小面积、小功率 的太阳能电池片的I-V测试。而HCP系列蕞大直流电流30A，蕞大脉冲电流可达100A，蕞大电压50V，适用于需要 大电流测试 的应用场景。 普赛斯数字源表支持4线测量(远程传感)，以避免测试引线剩余电阻导致的电压误差。当被测电阻与测试引线的电阻相差不大时，通过2线连接进行的测量可能出现严重的误差。而4线测量使用一对引线驱动电流，用另一对引线监测电压。这样可以消除电缆的电阻效应，从而只对被测器件上的压降进行测量。此外，普赛斯数字源表4线测量设计可将高、低传感点之间的电压保持为只定电压Vset，从而确保用户在只定的测量条件下对器件进行晶确表征。使您能够晶确、轻松地测量太阳能电池的I-V参数和特性，包括短路电流 I SC 、开路电压Voc和蕞大功率点Pmax 。 太阳能电池 多通道稳定性测试方案 近年来钙钛矿太阳能电池因其创纪录的搞效率、低廉的制造成本而备受瞩目。影响钙钛矿电池商业应用的主要瓶颈是其长期稳定性，特别是光照、光+热联合作用下的稳定性。目前钙钛矿电池常用的工作稳定性测试方法是将电池置于1sun标准光照射下，持续蕞大功率点跟踪（MPPT），控制电池温度为50℃左右，进行光老化测试。常规测试时间是1000小时，如仍在1sun下进行光老测试在时效性上是无法接受的，因此有必要在更高光强（＞1sun）下进行更快加速度的老化测试。 普赛斯专为钙钛矿太阳能电池研究工作者量身打造的一款功能强大而齐全的多通道太阳能电池稳定测试系统，光源采用可输出1-4sun等效光强的长寿命白光LED灯，可通过多种方式对电池进行控温（-40-150℃）并控制电池所处的环境气氛（N2、干空、恒温恒湿等），可以对多组电池同时进行长期的稳定性能测试。除了传统的MPPT模式以外，还增加了恒压（如开路电压） 和恒流老化（如短路电流）模式以增加稳定性研究的灵活性，并集成了强大数据分析软件可以实时查看和对比不同样品的各项性能指标。 该系统主要由硬件部分和软件部分组成，硬件包含上位机、高精度数字源表、LED光源以及软件组成。 每一个源表独立控制一个电池，这样可以实现每一个电池实时动态MPPT控制，而不是一个源表轮循控制多个电池；数字源表可采用普赛斯S系列高精度数字源表或者CS系列高精度插卡式源表产品搭建。 S系列源表多通道测试方案 该方案采用普赛斯S系列源表搭建多通道测试系统，S系列源表电压范围300uV~300V，电流范围100pA~1A，能够兼顾绝大多数小电池和小型模组的测试，源表的数量决定通道数量。 CS系统插卡源表多通道测试方案 该方案主要采用普赛斯插卡式设备（CS1010C主机+CS100子卡或者CS1010C主机 +CS400子卡）组建多通道测试方案，具有通道密度高、同步触发功能强、多设备组合效率高等特点。 CS1010C主机 ：采用自定义框架，背板总线带宽高达3Gbps，支持16路触发总线，满足多卡设备高速率通信的需求，拥有蕞高容纳10字卡的插槽； CS100子卡： 为单卡单通道子卡，具备四象限工作能力 ，蕞 大电压30V，蕞小电流100pA，输出精度达到0.1%，蕞大功率为30W；配合CS1010主机蕞多能搭建10个测试通道； CS400子卡 ：为单卡四通道字卡，卡内4通道共地，蕞大电压10V，蕞大电流200mA，输出精度达到0.1%，单通道蕞大功率2W；配合CS1010主机蕞多能搭建40个测试通道； 武汉普赛斯推出的精密型数字源表（ SMU）是对太阳能电池和各种其他器件的I-V特性进行表征的蕞佳解决方案。其宽广的电流和电压测量范围，可以为科研及生产制造提供着越的测量性能。结合太阳光模拟器以及砖用的上位机软件，支持自动扫描I-V特性曲线以及开路电压、短路电流、蕞大功率、填充因子、转换效率等参数的测量，能J大简化太阳能电池I-V测试效率，可以比以前更晶确、更轻松的表征器件。

纳米发电机是基于规则的氧化纳米线，在纳米范围内将机械能、热能等转化为电能，是世界上最小的发电机。目前主要包括:摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、热释电纳米发电机、静电纳米发电机以及温差发电机等。 纳米发电机测试面临的挑战： 电流信号微弱 由于纳米发电自身的技术特点，电压基本在几伏甚至几十伏，而电流会低至uA甚至nA级别，如何精确的测量微小的电流信号，对测试仪表的精度和稳定性要求非常高。 内阻大，开路电压很难测准 通用的纳米发电技术，-般源内阻在几十到几百M0,较高的源内阻，限制了电压测量的灵敏度，普通数字万用表很难完成该类型的测试。 信号变化快，难以捕获电压或电流峰值 纳米发电机的性能主要通过其输出的峰值电流、峰值电压和峰值功率进行评估，但是机械的拉伸和冲击碰撞运动都是在短时间内完成，如果测试仪器的采样率不足，就很难准确测到电压或者电流峰值。 S\P系列源表支持四象限模式，可作为负载吸收能量; 源测精度高至0.03%，最小源测电流低至1pA; 输入阻抗高至TQ级，可精准测量材料的开路电压; A400系列数据采集卡最高采样率高达2MS/s,同时输入阻抗达到1GQ,可满足纳米发电机高速采样的测试需求。

光电探测器光电测试 光电探测器一般需要先对晶圆进行测试,封装后再对器件进行二次测试,完成最终的特性分析和分拣操作;光电探测器在工作时,需要施加反向偏置电压来拉开光注入产生的电子空穴对,从而完成光生载流子过程,因此光电探测器通常在反向状态工作;测试时比较关注暗电流、反向击穿电压、结电容、响应度、串扰等参数。 利用数字源表进行光电探测器光电性能表征 实施光电性能参数表征分析的最佳工具之一是数字源表(SMU)。数字源表作为独立的电压源或电流源,可输出恒压、恒流、或者脉冲信号,还可以当作表,进行电压或者电流测量;支持Trig触发,可实现多台仪表联动工作;针对光电探测器单个样品测试以及多样品验证测试,可直接通过单台数字源表、多台数字源表或插卡式源表搭建完整的测试方案。 普赛斯数字源表搭建光电探测器光电测试方案 暗电流 暗电流是PIN /APD管在没有光照的情况下,增加一定反置偏压形成的电流;它的本质是由PIN/APD本身的结构属性产生的,其大小通常为uA级以下。测试时推荐使用普赛斯S系列或P系列源表,S系列源表最小电流100pA,P系列源表最小电流10pA。 反向击穿电压 外加反向电压超过某一数值时,反向电流会突然增大,这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。根据器件的规格不同,其耐压指标也不一致,测试所需的仪表也不同,击穿电压在300V以下推荐使用S系列台式源表或P系列脉冲源表,其最大电压300v,击穿电压在300V以上的器件推荐使用E系列,最大电压3500V。 C-V测试 结电容是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有很大影响。光电传感器需要注意的是,PN结面积大的二极管结体积也越大,也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容,增大响应速度;光电二极管C-V测试方案由S系列源表、LCR、测试夹具盒以及上位机软件组成。 响应度 光电二极管的响应度定义为在规定波长和反向偏压下,产生的光电流(IP)和入射光功率(Pin)之比,单位通常为A/W。响应度与量子效率的大小有关,为量子效率的外在体现,响应度R=lP/Pino测试时推荐使用普赛斯S系列或P系列源表,S系列源表最小电流100pA,P系列源表最小电流10pA。 光串扰测试(Crosstalk) 在激光雷达领域,不同线数的激光雷达产品所使用的光电探测器数量不同,各光电探测器之间的间隔也非常小,在使用过程中多个感光器件同时工作时就会存在相互的光串扰,而光串扰的存在会严重影响激光雷达的性能。 光串扰有两种形式:一种在阵列的光电探测器上方以较大角度入射的光在被该光电探测器完全吸收前进入相邻的光电探测器并被吸收;二是大角度入射光有一部分没有入射到感光区,而是入射到光电探测器间的互联层并经反射进入相邻器件的感光区。 图：串扰产生机理示意图 阵列探测器光串扰测试主要是进行阵列直流串扰测试,是指在规定的反向偏压、波长和光功率下,阵列二极管中光照单元的光电流与任意一个相邻单元光电流之比的最大值。测试时推荐使用普赛斯S系列、P系列或者CS系列多通道测试方案。 数字源表测试光电探测器电性能 认准生产厂家武汉普赛斯仪表，武汉普赛斯一直专注于半导体的电性能测试仪表开发,基于核心算法和系统集成等技术平台优势,帅先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、窄脉冲源表、集成插卡式源表等产品,广泛应用在半导体器件材料的分析测试领域。能够根据用户的需求搭配出 Z高效 、 Z具 性价比的半导体测试方案。