gesponsertSource Measure Unit Sensor und Solarzelle präzise charakterisieren

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Siglent Technologies Germany GmbH

Kleine Ströme oder hohe Leistungsdichten erfordern Flexibilität und messtechnische Präzision. Eine SMU kann sowohl eine Quelle als auch Multimeter in einem Instrument vereinen.

Elektronische Komponenten müssen immer kleinere Signale erfassen, höhere Leistungsdichten verarbeiten und ihr Verbrauchsverhalten im Nanoampere-Bereich analysieren. Entwickler benötigen dazu flexible Messsysteme. Hier setzen SMUs (Source Measure Units) an. Wie der Name impliziert, lassen sich damit Bauelemente nicht nur versorgen, sondern gleichzeitig exakt vermessen. Die Anwendungen reichen vom empfindlichen Sensor bis zur leistungsstarken Solarzelle.

Mit der SMM3000X-Serie hat Siglent eine moderne SMU-Plattform vorgestellt, die speziell auf die Anforderungen von Forschung, Entwicklung und Produktion ausgelegt ist. Die Geräte bieten Ausgangsspannungen von bis zu 210 V und Ausgangsströme von bis zu 3 A, die im Pulsbetrieb auf bis zu 10,5 A ansteigen können. Ferner ermöglicht die Serie eine Auflösung von bis zu 200 nV im Spannungsbereich sowie 10 fA im Strombereich.

Was hinter einer SMU steckt

Eine SMU ist ein hochpräzises Messinstrument, das elektrische Größen sowohl erzeugen als auch gleichzeitig erfassen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Labornetzgeräten oder Digitalmultimetern sind die Funktionen Erzeugung und Messung bei einer SMU eng miteinander abgestimmt und laufen synchron ab. Das Gerät kann je nach Anwendung Spannung oder Strom liefern und gleichzeitig Strom und Spannung hochpräzise messen. Daraus lassen sich direkt weitere Parameter wie Widerstand oder Leistung berechnen.

Diese Kombination eröffnet eine enorme Flexibilität für unterschiedlichste Messaufgaben. Besonders bei der Aufnahme von Kennlinien elektronischer Bauteile reduziert eine SMU den Aufwand erheblich, da mehrere Einzelgeräte und komplexe Verkabelungen entfallen. Die SMM3000X-Serie ist sowohl als Einkanal- als auch als Zweikanal-Version erhältlich. Die zweikanalige Architektur ermöglicht beispielsweise kaskadierte Sweeps oder die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Knotenpunkte eines Prüflings.

Die Kombination aus Quelle und Messgerät in einem Instrument bietet verschiedene Vorteile. Durch die synchronisierte Signalführung werden Messungen präziser und reproduzierbarer. Gleichzeitig reduziert sich der Verkabelungsaufwand, wodurch sich potenzielle Fehlerquellen minimieren. Besonders bei der Aufnahme von I-V-Kennlinien profitieren Entwickler von automatisierten Sweep-Funktionen. Spannungs- oder Stromwerte können automatisch variiert werden, während das Instrument die Messwerte simultan erfasst.

Die SMM3000X-Serie unterstützt lineare, logarithmische und frei definierbare List-Sweeps. Dadurch lassen sich reale Betriebsbedingungen präzise nachbilden. Zwei galvanisch getrennte Kanäle ermöglichen flexible Einzel- oder Mehrkanalmessungen und erleichtern die Charakterisierung aktiver wie passiver Bauelemente. Gerade bei komplexeren Halbleitertests reduziert dies den Aufwand im Labor deutlich.

Direkte Kennlinienanalyse am Gerät

Für den Einsatz im Labor ist neben der Messperformance auch die Bedienbarkeit wichtig. Die SMM3000X-Serie hat einen großen Touchscreen. Damit lassen sich Sweep-Parameter, Compliance-Grenzen und Messabläufe konfigurieren. I-V-Kennlinien können auf dem Display dargestellt und analysiert werden. Dafür ist kein externer PC nötig. Das beschleunigt die Verifikation neuer Schaltungen und Bauelemente erheblich. Entwickler können Kennlinienverläufe, Leckströme oder Schwellspannungen direkt bewerten und Messparameter anpassen.

Viele moderne Bauelemente reagieren empfindlich auf thermische Einflüsse. Insbesondere bei Halbleitern kann eine kontinuierliche Strombelastung zur Eigenerwärmung führen und Messergebnisse verfälschen. Die Möglichkeit, gepulste Spannungen oder Ströme zu erzeugen, bietet hier einen entscheidenden Vorteil. Beim Pulsbetrieb wird das Testsignal nur für eine kurze Zeit angelegt. Die Messung erfolgt exakt innerhalb eines vom Anwender definierbaren Zeitfensters, bevor das System wieder in den Ruhezustand zurückkehrt. Dadurch lassen sich thermische Effekte deutlich reduzieren. Für die Qualität dieser Messungen sind Parameter wie Pulsbreite, Anstiegszeit, Abtastzeitpunkt und Wiederholrate entscheidend.

Typische Fehlerquellen vermeiden

Wird die Messung zu früh oder zu spät durchgeführt, beeinflussen Einschwingvorgänge bzw. thermische Veränderungen des Prüflings das Ergebnis. Die SMM3000X-Serie erlaubt eine präzise Definition dieser Zeitparameter und ermöglicht dadurch reproduzierbare gepulste Messungen. Besonders hervorzuheben ist die hohe Pulsstromfähigkeit von bis zu 10,5 A. Damit lassen sich auch leistungsstarke Halbleiter charakterisieren. Gerade bei temperaturempfindlichen Bauteilen können so realistische Kennlinien aufgenommen werden, ohne dass thermische Effekte das Ergebnis verfälschen.

Für die Charakterisierung moderner Sensoren oder stromsparender Schaltungen sind Messungen im Pico- bis Nanoampere-Bereich erforderlich. In diesem Bereich beeinflussen nicht nur die Eigenschaften des Prüflings das Ergebnis, sondern zunehmend auch externe Effekte. Typische Fehlerquellen sind Leckströme über Kabel und Steckverbinder, parasitäre Kapazitäten, elektromagnetische Einstrahlung, thermische Spannungen oder Oberflächenverschmutzungen. Bereits kleinste Isolationsfehler können Messergebnisse erheblich verfälschen.

Die SMM3000X-Serie unterstützt deshalb den Einsatz von Triaxialanschlüssen für hochpräzise Low-Current-Messungen. Triaxialkabel verfügen gegenüber klassischen Koaxialleitungen über einen zusätzlichen Guard-Leiter (Bild 2). Dieser reduziert Leckströme und minimiert kapazitive Kopplungen sowie Rauscheinflüsse. Dadurch verbessert sich insbesondere die Genauigkeit bei Widerstandsmessungen hoher Impedanzen oder bei Dunkelstrommessungen empfindlicher Sensoren. Gerade bei Messungen im Picoampere-Bereich ist eine optimierte Signalführung entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Kleinste Spannungen messen

Auch die präzise Erfassung kleinster Spannungen spielt bei der Bauelementcharakterisierung eine zentrale Rolle. Typische Anwendungen sind Thermospannungen, Sensorausgänge, Kontaktspannungen oder Materialanalysen. Um höchste Genauigkeit zu gewährleisten, kommt häufig die Vierleiter-Messmethode (Kelvin-Messung) zum Einsatz. Dabei werden getrennte Leitungen für Stromfluss und Spannungsmessung verwendet, wodurch sich Leitungs- und Kontaktwiderstände praktisch eliminieren lassen. Zusätzlich spielt die offsetkompensierte Widerstandsmessung eine wichtige Rolle. Hierbei wird der Messstrom periodisch umgepolt und der Offset-Anteil rechnerisch entfernt. Dadurch lassen sich selbst kleinste Widerstände und Spannungsdifferenzen präzise erfassen. Besonders in der Materialforschung oder bei niederohmigen Präzisionsmessungen ist diese Technik unverzichtbar.

„Hochpräzise Messtechnik muss wirtschaftlich zugänglich sein“

Drei Fragen an Thomas Rottach von Siglent

Die Entwicklung einer Source Measure Unit mit Auflösungen bis in den Femtoampere-Bereich gilt als Königsdisziplin der Messtechnik. Warum steigt Siglent genau jetzt in dieses anspruchsvolle Segment ein?

Thomas Rottach: Die Anforderungen an die Elektronik steigen kontinuierlich, gleichzeitig stehen Entwicklungsabteilungen unter hohem Kostendruck. Budgets werden kleiner, die Entwicklungszeiten kürzer. Hochpräzise SMUs mit Femtoampere-Auflösung und gepulsten Hochstrommessungen waren bislang sehr kostenintensiven High-End-Systemen vorbehalten. Mit der SMM3000X möchten wir diese professionelle Performance und moderne Automatisierungsfunktionen wirtschaftlich deutlich zugänglicher machen. Ganz nach unserem Leitbild: „Every Bench. Every Engineer. Every Day.“ Eine derart leistungsfähige Plattform soll nicht nur wenigen Speziallaboren vorbehalten sein.

Was war bei der Bauteilcharakterisierung bisher der größte Engpass im Laboralltag – und wie löst Ihre Architektur dieses Problem?

Thomas Rottach: Viele Entwickler arbeiten noch immer mit einem klassischen Einzelgeräte-Setup, also mit Netzteil, Digitalmultimeter und eventuell einem zusätzlichen Pulsgenerator. Technisch funktioniert das, aber es erfordert komplexe Aufbauten, viel Verkabelung und hohen Aufwand bei der Synchronisation. Die SMU löst das, indem Sourcen und Messen zeitlich und funktional in einem Gerät integriert sind. Unser Ansatz war es nicht, das SMU-Prinzip neu zu erfinden, sondern es einfacher nutzbar zu machen. Funktionen wie Picoampere-Messungen, gepulster Betrieb oder automatisierte Sweeps sollen ohne die Einstiegshürden klassischer High-End-Systeme genutzt werden können.

Hardware ist das eine, aber Messreihen werden zunehmend automatisiert. Welche Philosophie verfolgt Siglent auf der Software-Seite?

Thomas Rottach: Eine leistungsfähige Messtechnik muss offen und einfach integrierbar sein. Die SMM3000X-Serie lässt sich nicht nur als Stand-alone-Gerät nutzen, sondern unterstützt Standards wie SCPI und LXI für die problemlose Einbindung in automatisierte Messplätze. Zusätzlich bieten wir eine PC-Software sowie einen integrierten Webserver an. Wichtig war uns dabei der Spagat bei der Bedienbarkeit: Entwickler können I-V-Kennlinien intuitiv direkt auf dem großen Touchscreen am Gerät visualisieren und auswerten. Außerdem lassen sich dieselben Messungen parallel in vollständig automatisierte Testabläufe überführen.

Integration in automatisierte Messplätze

Neben dem Standalone-Betrieb unterstützt die SMM3000X-Serie auch die vollständige Einbindung in automatisierte Testsysteme. Die Geräte beherrschen Standardprotokolle wie SCPI und LXI und lassen sich dadurch einfach in bestehende Messumgebungen integrieren. Für automatisierte Charakterisierungsaufgaben stehen zusätzlich eine PC-Software sowie Python-basierte Steuerungsmöglichkeiten zur Verfügung. Entwickler können damit komplexe Sweep-Sequenzen, Langzeitmessungen oder automatisierte Bauteiltests effizient realisieren. Gerade in Forschung und Produktion ermöglicht dies reproduzierbare Testabläufe bei gleichzeitig reduziertem Entwicklungsaufwand.

Applikationen aus der Praxis

Diodenkennlinien aufnehmen: Die Charakterisierung von Dioden durch die Aufnahme ihrer I-V-Kennlinie ist eine klassische Anwendung einer SMU. Automatisierte Spannungssweeps ermöglichen die Bestimmung von Durchlassspannung, Sperrstrom und dynamischem Widerstand. Geringste Leckströme im Sperrbetrieb lassen sich zuverlässig analysieren.

Batterien charakterisieren: Bei Batteriemessungen ermöglicht die SMU eine präzise Analyse des Lade- und Entladeverhaltens. Besonders wichtig ist dabei die Fähigkeit, sehr kleine Ströme bei gleichzeitig stabiler Spannungsregelung zu messen. Dadurch lassen sich Selbstentladungseffekte oder Ruheströme exakt bestimmen – ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung energieeffizienter Systeme.

MOSFET-Charakterisierung mit zwei Kanälen: Die zweikanalige Architektur erlaubt die gleichzeitige Ansteuerung von Gate- und Drain-Anschluss eines MOSFETs. Dadurch lassen sich Transfer- und Ausgangskennlinien automatisiert aufnehmen. Synchronisierte Sweeps beider Kanäle ermöglichen reproduzierbare Messabläufe und vereinfachen die Analyse von Schwellspannung und Schaltverhalten erheblich.

Solarzellen vermessen: Die Charakterisierung von Solarzellen erfordert die präzise Aufnahme der I-V-Kennlinie, wofür die SMU mit ihren Sweep-Funktionen, schnellen Messzyklen und gepulstem Betrieb zur Temperaturkontrolle prädestiniert ist. So lassen sich Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Maximum-Power-Point und Wirkungsgrad exakt bestimmen. Die Sweep-Steuerung ermöglicht darüber hinaus Messungen unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen. (heh)

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