SMU (Source Measure Units)란?

거의 모든 연구, 디자인, 개발 및 생산 어플리케이션은 개발 또는 테스트되는 디바이스로 파워를 소싱하는 인스트루먼트를 필요로 합니다. 또한 어플리케이션은 디바이스 동작을 특성화하고 적절한 운영을 테스트하기 위해 디바이스에서 사용되는 전압 및 전류를 모니터하는 기능을 필요로 합니다. 정전압 또는 전류를 공급하고 관련된 전류 또는 전압으로 읽을 수 있는 단일의 프로그램가능 전원 공급이 있으면 두 가지 요구사항을 만족할 수 있습니다. 이 같은 어플리케이션에서 전류 측정시 보통 밀리암페어 민감도는 충분합니다.

일부 어플리케이션 중에는 일반적인 프로그램가능 전원 공급에서 찾을 수 있는 것보다 더욱 정밀한 소싱 및 측정이 필요한 경우가 있습니다. 한 예로, 흔히 볼 수 있는 유비쿼터스 디바이스를 생각해 보면, 각 마이크로 암페어의 전류는 배터리 수명을 줄입니다. 따라서 제조업자들은 제조과정 동안 디바이스를 특성화해야 합니다. 이러한 경우, 마이크로 암페어 레벨의 민감도를 제공하는 고정밀 전원 공급이 최선의 선택이 됩니다.

이보다 더욱 높은 레벨의 정밀도와 더 많은 기능을 요구하는 어플리케이션도 있습니다. 반도체 검증 및 특성화는 나노 암페어 범위의 전류 민감도를 요구하는 어플리케이션의 예입니다. 이에 덧붙여, 고도의 정밀도, 더욱 높은 속도, 전압 원격 센싱, 및 4-쿼드런트 출력에 대한 요구로 인해 기존의 프로그램 가능 전원 공급은 더 이상 충분하지 않게 되었습니다. 이러한 모든 상황을 고려해 볼 때 SMU (source measure unit)가 적절한 대안이 될 수 있습니다.

SMU는 정밀 전원 소싱 인스트루먼트로써 일반적으로1 mV 또는 그 이하의 전압 소싱 및 측정 해상도를 제공하며 1 µA 이하로 전류 소싱 및 측정 해상도를 제공합니다. 또한, SMU는 리모트-센스 기능 및 4-쿼드런트 출력을 제공하므로 양극 전압 및 전원 싱크 기능을 통합합니다. 마지막으로, SMU는 디바이스의 IV 특성을 결정하는 데에 사용할 수 있는 전류 및 전압 스위프를 수행할 수 있습니다. 이러한 이유들로, SMU는 업계에서 광범위하게 채택되고 있으며 여러 자동화 테스트 시스템에서 일반적인 컴포넌트로 사용됩니다. 특정 SMU 기능 및 관련 어플리케이션에 관한 더욱 자세한 정보는 아래에서 관련 섹션을 참조하십시오.

정밀도

SMU를 표준 전원 공급과 구별하는 가장 큰 특징은 바로 정밀도입니다. 정밀도는 반복성 또는 재생산성으로 정의됩니다. 인스트루먼트의 정밀도를 고려할 때에는 관련된 두 가지 주요 특징, 즉 민감도와 정확도를 염두에 두어야 합니다.

민감도

민감도의 정의는 인스트루먼트에 의해 측정(또는 소싱)될 수 있는 최소의 감지가능한 변화입니다. 다시 말해 민감도는 디바이스 출력에 지정되거나 디바이스의 입력에서 감지되는 최소의 증가입니다. SMU는 전압 및 전류를 지정하고 읽을 수 있는 여러 개의 범위를 제공함으로써 표준 전원 공급보다 더욱 증대된 민감도를 구현합니다. 예를 들어, NI PXI-4130 전원 SMU는 2 A에서 200 µA에 이르는 5가지 전류 범위를 제공합니다.

정확도

정확도는 주어진 소스 또는 측정의 최대의 불확실성을 의미합니다. 절대 정확도는 표준치와 일치하는 실제 측정치입니다. SMU는 설정된 출력의 0.1퍼센트 또는 그 이하의 소싱 및 측정에 대한 정확도를 가집니다. 예를 들어, PXI-4130 전원 SMU의 200 µA 범위는 0.03 퍼센트의 정확도를 제공합니다.

전압 리모트 센싱

정밀 전압을 정확하게 소싱 또는 측정할 때 직면하게 되는 문제점은 DUT에서 나타나는 전압에 대한 리드 저항(lead resistance)이 미치는 영향입니다. 리드 저항은 항상 나타나지만 장거리, 소형의 와이어일 경우에 두드러지게 나타납니다. 물론 일반적으로 몇 옴에 지나지 않지만 이 같은 작은 저항이 DUT가 받는 전압에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 DUT의 내부 저항이 작을 때는 더욱 그렇습니다.
그림 1은 전원 소싱 인스트루먼트, 리드 와이어 및 DUT로 구성된 일반적인 회로의 다이어그램을 나타냅니다. 리드 저항은 파워 소스를 DUT에 연결하는 (+) (-) 리드 와이어에 대해 1 Ω으로 간주합니다.

그림 1. 일반적인 프로그램 가능 전원 공급 연결 다이어그램

전원 소스가 5 V 출력으로 설정되고 DUT가 1 kΩ의 임피던스를 가진다고 가정하면, 다음의 공식을 사용하여 DUT의 터미널에서 실제 전압을 계산할 수 있습니다.

첫 번째 경우, 전압은 실제로 4.99 V입니다. 일부 디바이스의 경우 이 같은 작은 변화는 문제되지 않지만 작동 전압에 기반하여 정확한 특성화가 요구되는 어플리케이션의 경우 이 같은 에러는 매우 중요할 수 있습니다. 또한, 낮은 입력 임피던스를 가진 디바이스의 경우 리드에 나타나는 전압의 변화를 상당 부분 줄일 수 있습니다. 테이블1은 입력 임피던스에 기반하여 DUT에 나타나는 값입니다.

테이블 1. 입력 임피던스에 기반하여 DUT에서 보여지는 전압

리드 저항으로 야기되는 전압 에러에 대한 솔루션은 리모트 센싱(remote sensing) 또는 4-와이어 센싱입니다. 본 기술은 DUT에서 전압을 직접 측정하거나 적절히 보상함으로써 전압 강하를 보상합니다. 본 방법은 디지털 멀티미터 (DMMs)가 저항 측정에서 리드 저항을 없애기 위해 4-와이어 저항 측정을 수행하는 방법과 유사합니다. 전원 소스 및 DMM은 4-와이어 리모트 센싱을 위한 두 개의 터미널이 출력 쪽에 추가적으로 있으며, 추가 터미널은 DUT에 직접 연결됩니다. 리모트 센싱에 사용되는 와이어에는 여전히 리드 저항이 있긴 하지만, 전압 측정은 높은 임피던스이므로 어떤 전류도 센스 와이어를 통해 흐르지 않으며 어떤 전압 강하도 나타나지 않습니다.
SMU에는 추가된 전압 민감도를 최대한 사용하기 위해 일반적으로 리모트 센싱 기능이 포함됩니다. “Kelvin sense”으로 알려진 리모트 센싱 기능은 또한 PXI-4130 SMU에서 사용 가능하고 소프트웨어를 통해 on 또는 off로 설정됩니다.

4-쿼드런트 기능 (소스 및 싱크)

또 다른 SMU의 특징은 출력의 유연성입니다. SMU에는 4개의 쿼드런트 출력이 있어 (+) 전압 및 (+) 전류 (쿼드런트 1), (-) 전압 및 (+) 전류 (쿼드런트 2), (-) 전압 및 (-) 전류 (쿼드런트 3), 또는 (+) 전압 및 (-) 전류 (쿼드런트 4)을 제공합니다. 일반적으로 SMU 데이터 시트는 그림 2와 유사한 쿼드런트 다이어그램이 있으며 4개의 쿼드런트 각각에 적용할 수 있는 최대의 전압 및 전류를 나타냅니다. 싱크 쿼드런트는 지속적인 전원 손실을 보여주는 굵은 선과 펄스 모드에서 전류 싱크 능력을 보여주는 점선으로 되어 있습니다. SMU의 연속 전원 손실 능력이 동일한 인스트루먼트의 펄스 전원 손실보다 매우 작으므로 이 같은 구분은 중요합니다.
4-쿼드런트 기능은 재충전가능한 배터리에 충전 주기 테스트, 또는 디지털 반도체 디바이스의 핀에서 출력 단락 회로 전류 테스트 등 소싱 및 싱킹을 모두 요구하는 어플리케이션에 필수적인 기능입니다. PXI-4130은 쿼드런트 I 과 III에서 최대 40 W를 소싱하고, 쿼드런트 II과 IV에서 최대 10 W을 싱크합니다.

그림 2. NI PXI-4130 Power SMU의 채널 1에 대한 쿼드런트 다이어그램 

양극성

전원 공급 또는 SMU가 4-쿼드런트로 분류되기 위해서는 동일한 터미널에서 반드시 (+)와 (-) 전압을 소싱할 수 있어야 합니다. 이는 작동에 중요한 전방향, 역방향 특성을 모두 가진 디바이스의 브레이크다운을 특성화하기 위해 중요합니다. (-)값에서 (+)값으로 스위핑 전압을 수용할 수 있는 출력 채널을 사용하여 이와 같은 전방향, 역방향 특성을 특성화할 수 있습니다. PXI-4130 power SMU는 양극 SMU채널에서 최고 +20 V 및 최저 -20 V까지 소싱합니다.

그림 3. 순방향 및 역방향 브레이크다운 특성을 보여주는 일반 Zener 다이오드의 IV 커브

싱킹

마찬가지로, 전원 공급 또는 SMU가 4-쿼드런트로 분류되기 위해서는 반드시 전원을 소싱할 뿐 아니라 싱크도 진행해야 합니다. 전원 소싱은 회로에 대한 자극을 제공하는 것을 의미하며 전원 싱크는 배터리, 충전된 축전기, 또는 다른 전원 소스와 같은 외부 활성 컴포넌트에 의해 적용되는 전원을 소모하는 것을 의미합니다. 4-쿼드런트 공급은 전류 싱크로 설정하면 축전기 또는 배터리를 방전하도록 구성할 수 있습니다. 예를 들어, PXI-4130은 최고 10 W까지 싱크를 제공합니다.

스위핑

주요 SMU 어플리케이션은 여러 다양한 전기 컴포넌트, 반도체 디바이스 및 맞춤 칩 디자인의 특성화 및 분류입니다. 이 같은 특성화를 수행하는 한 가지 전형적인 방법은 값 목록을 통해 DUT로 소싱되는 전압 또는 전류를 스위핑하는 것입니다. 본 특성화 방법의 전형적인 예는 다이오드 및 트랜지스터를 위한 IV 커브 추적입니다. 두 가지 경우 모두, 전압은 DUT 터미널에서 스위프되며, 결과 전류가 측정됩니다.
스위프는 다양한 선형에서 대수, 맞춤형, DC 또는 펄스에 이르기까지 다양한 형태로 나타납니다. 본 SMU는 최고 3000S/s으로 전압 및 전류를 스위핑하는 동시에 전류 및 전압을 측정합니다. 또한, PXI-4130은 최고 6V 및 1A에서 프로그램 가능 전원 공급 역할을 하는 추가 “유틸리티” 채널을 제공합니다. 유틸리티 채널을 사용하여 BJT(bipolar junction transistor)을 위한 베이스 전류를 제공하거나 또는 FET(field effect transistor)를 위한 게이트 전압을 제공할 수 있습니다. 그림 4는 NI LabVIEW SignalExpress 환경에서 BJT에서 IV 커브를 스위프하는 데에 사용되는 PXI-4130 power SMU를 보여줍니다.

그림 4. PXI-4130 Power SMU를 사용하여 BJT에서 IV 특성화

PXI 프로그램 가능 전원 공급 및 SMU

내쇼날인스트루먼트는 PXI-4110 프로그램 가능 전원 공급 및 PXI-4130 power SMU를 통하여 PXI기반의 정밀소스 장비 두 가지를 선보입니다. 단일의, 3U PXI 모듈에서 이러한 인스트루먼트는 모두 대부분의 기존 전원 공급에서 가능한 것보다 훨씬 향상된 정밀도를 제공합니다. 그림 5는 두 개의 NI 정밀 소스의 전류 측정 민감도와 기존의 프로그램가능 전원 공급을 비교합니다.

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그림 5. PXI용 NI 정밀 소스의 가격 및 정밀도 비교

다음의 모델 페이지 링크를 따라가면 PXI용 NI 정밀 소스에 관한 스펙 및 가격 정보를 보실 수 있습니다.
• NI PXI-4130 Power SMU
• NI PXI-4110 프로그램가능 전원 공급