引言

在晶體管器件的研發(fā)階段，制造商通常需要對(duì)設(shè)計(jì)原型進(jìn)行電學(xué)特性評(píng)估。直流（DC）測(cè)試是最常見(jiàn)的方法，但對(duì)于許多半導(dǎo)體器件而言，只有脈沖或短時(shí)導(dǎo)通（開(kāi)關(guān)）激勵(lì)條件下，才能更真實(shí)地反映其實(shí)際工作行為。

相比連續(xù)直流測(cè)試，脈沖測(cè)試通過(guò)在極短時(shí)間內(nèi)施加激勵(lì)，可顯著降低器件自發(fā)熱（焦耳熱）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而更準(zhǔn)確地表征器件的本征特性。這一優(yōu)勢(shì)使脈沖測(cè)量被廣泛應(yīng)用于納米器件、功率器件及晶圓級(jí)測(cè)試等場(chǎng)景，尤其適用于對(duì)熱效應(yīng)高度敏感的精細(xì)結(jié)構(gòu)和新型材料器件。

此外，脈沖測(cè)試不僅有助于降低早期封裝和散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)的測(cè)試成本，還能夠簡(jiǎn)化多溫區(qū)器件表征，并在一定程度上擴(kuò)展測(cè)試儀器的電流、電壓輸出能力邊界。盡管脈沖測(cè)試在硬件搭建上并不復(fù)雜，但在實(shí)際應(yīng)用中，儀器配置、參數(shù)設(shè)置以及測(cè)試自動(dòng)化往往具有較高門(mén)檻。理想情況下，應(yīng)當(dāng)借助一套直觀的軟件工具，以簡(jiǎn)化測(cè)試流程并提升效率。

本文將介紹脈沖測(cè)試在半導(dǎo)體器件表征中的核心價(jià)值，并以MOSFET為例，說(shuō)明如何使用Keithley KickStart軟件快速建立自動(dòng)化脈沖測(cè)試流程，并生成表格和圖形化的測(cè)試結(jié)果。

MOSFET的I-V曲線(xiàn)測(cè)量

半導(dǎo)體器件（例如晶體管）是電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。大多數(shù)器件在研發(fā)流程的不同階段都需要進(jìn)行電氣特性表征，包括研究實(shí)驗(yàn)室、晶圓廠、高校以及器件制造商等。

Keithley是晶體管I-V特性表征領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。使用SMU（源測(cè)量單元）進(jìn)行半導(dǎo)體器件表征非常理想，因?yàn)镾MU既可以施加激勵(lì)，又可以進(jìn)行測(cè)量，尤其適用于低電流測(cè)量。對(duì)于端口數(shù)超過(guò)兩個(gè)的器件進(jìn)行測(cè)試，通常需要多臺(tái)SMU。然而，一臺(tái)雙通道SMU即可完成單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的絕大多數(shù)特性表征。圖1展示了在MOSFET的I-V特性表征中使用兩臺(tái)SMU的示意。

圖1：使用雙通道SMU進(jìn)行MOSFET I-V特性表征的電路示意圖。

晶體管I-V特性表征中的常見(jiàn)測(cè)量參數(shù)包括：

■漏極電壓（VD）

施加在 FET 漏極端的電壓稱(chēng)為漏極電壓。

■漏極電流（ID）

漏極端從電壓源汲取的電流稱(chēng)為漏極電流。

漏極電流能夠提供關(guān)于器件工作狀態(tài)和效率的大量信息。

其他常見(jiàn)測(cè)量參數(shù)還包括：

■柵極電壓（VG）

■柵極電流（IG）

■閾值電壓（VTH）

圖2顯示了使用雙通道Keithley SourceMeterSMU 儀器生成的MOSFET漏極特性曲線(xiàn)族。

圖2： MOSFET的I-V曲線(xiàn)。

脈沖I-V特性表征

脈沖I-V特性表征（如前所述，即在極短時(shí)間內(nèi)、以有限占空比施加電壓和電流）是測(cè)量I-V曲線(xiàn)的另一種常見(jiàn)方式，可通過(guò)KickStart軟件實(shí)現(xiàn)。脈沖I-V測(cè)量可以縮短測(cè)試時(shí)間，并在不超過(guò)MOSFET安全工作區(qū)、且不引起器件自熱及參數(shù)漂移的情況下完成器件表征。

通常使用兩個(gè)脈沖I-V通道來(lái)測(cè)量MOSFET的I-V曲線(xiàn)，其中一個(gè)通道連接至柵極，另一個(gè)通道連接至漏極。每個(gè)通道的地端均連接至MOSFET的源極引腳。

MOSFET特性曲線(xiàn)的構(gòu)建過(guò)程

在構(gòu)建晶體管特性曲線(xiàn)時(shí)，流程如下：

1. 柵極通道首先向柵極施加電壓；

2. 隨后，漏極通道對(duì)VDS進(jìn)行掃描，并在每個(gè)掃描點(diǎn)測(cè)量相應(yīng)的電流；

3. 接著，柵極通道施加另一組不同的柵極電壓；

4. 重復(fù)上述過(guò)程，從而構(gòu)建出下一條MOSFET I-V曲線(xiàn)，最終形成一組完整的特性曲線(xiàn)。

SMU可通過(guò)內(nèi)置的脈沖和直流掃描功能簡(jiǎn)化上述過(guò)程，包括：

? 線(xiàn)性階梯掃描

? 對(duì)數(shù)階梯掃描

? 自定義掃描

在KickStart中測(cè)量FET脈沖I-V特性

本示例應(yīng)用演示了如何使用2636B系列SMU儀器對(duì)FET進(jìn)行脈沖I-V表征測(cè)試。2636B非常適合用于半導(dǎo)體器件測(cè)試，因?yàn)樗軌蚩焖偾?a target="_blank">高精度地輸出和測(cè)量電流與電壓。確定FET的I-V參數(shù)有助于確保其在預(yù)期應(yīng)用中能夠正常工作，并且滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)格要求。使用2636B可以執(zhí)行多種I-V測(cè)試，包括：

? 柵極漏電流

? 擊穿電壓

?閾值電壓

? 轉(zhuǎn)移特性

? 漏極電流

測(cè)試所需的2636B儀器數(shù)量取決于需要施加偏置并進(jìn)行測(cè)量的FET端子數(shù)量。

本應(yīng)用展示了如何在三端MOSFET上執(zhí)行一組漏極特性曲線(xiàn)（Vds-Id）測(cè)試。

MOSFET是最常用的FET類(lèi)型，因?yàn)樗?a target="_blank">數(shù)字集成電路的基礎(chǔ)器件。

所需設(shè)備與軟件

一臺(tái)2636B SourceMeterSMU儀器

Keithley KickStart啟動(dòng)軟件2.6.0或更高版本，已安裝在計(jì)算機(jī)上（可從tek.com/keithley-kickstart下載KickStart軟件）

四根三軸電纜（Keithley 7078-TRX-10）

一套帶有三軸母頭連接器的金屬屏蔽測(cè)試夾具或探針臺(tái)

一個(gè)三軸T型連接器（Keithley 237-TRX-T）

使用一根GPIB電纜、USB電纜或以太網(wǎng)電纜之一

遠(yuǎn)程連接設(shè)置

本應(yīng)用被配置為遠(yuǎn)程運(yùn)行模式。您可以通過(guò)儀器支持的任意通信接口運(yùn)行該應(yīng)用，包括GPIB、USB或以太網(wǎng)。

圖4顯示了遠(yuǎn)程通信接口在儀器后面板上的連接位置。

圖4：2636B遠(yuǎn)程接口連接示意圖

設(shè)備連接（Device Connections）

為執(zhí)行MOSFET的漏極特性曲線(xiàn)（drain family of curves）測(cè)試，需要將兩臺(tái)儀器都配置為源電壓、測(cè)電流模式。在該電路中，將2636B的SMUB通道的Force HI端子連接到MOSFET的柵極（Gate），并將2636B的SMUA通道的Force HI端子連接到MOSFET的漏極（Drain）。將MOSFET的**源極（Source）**連接到2636B兩個(gè)通道的Force LO端子。如果需要對(duì)MOSFET的三個(gè)端子都進(jìn)行源/測(cè)操作，則需要第二臺(tái)2636B（或一臺(tái)2635B單通道SMU）。圖5顯示了使用兩路2636B儀器通道對(duì)MOSFET進(jìn)行I-V測(cè)試的配置方式。

圖5：MOSFET的三端I-V測(cè)試配置示意圖

圖6顯示了2636B通道后面板端子與MOSFET之間的連接方式。

? 柵極（Gate）

? 源極（Source）

? Force HI

? 237-TRX-T三同軸T型連接器

?7078-TRX-10三同軸至三同軸電纜

? 漏極（Drain）

圖6：使用兩路2636B通道測(cè)試三端MOSFET的連接配置

在該應(yīng)用中，需要從2636B后面板的母頭三同軸接口，使用 **四根三同軸電纜（7078-TRX-10）**連接至MOSFET器件。MOSFET器件應(yīng)安裝在帶金屬屏蔽的測(cè)試夾具中，該夾具配有母頭三同軸接口。使用三同軸T型連接器（237-TRX-T），將2636B兩個(gè)通道的Force LO端子同時(shí)連接到MOSFET的源極（Source）。

啟動(dòng)KickStart并設(shè)置測(cè)試

當(dāng)計(jì)算機(jī)與2636B之間的通信電纜連接完成后，即可啟動(dòng)KickStart軟件。

創(chuàng)建測(cè)試項(xiàng)目的步驟如下：

1. 啟動(dòng)KickStart軟件。啟動(dòng)界面將顯示，如圖7所示。

圖7：KickStart軟件啟動(dòng)頁(yè)面。

2. 在儀器實(shí)例中，單擊居中的標(biāo)簽，將其重命名為“MOSFET 2636B”。

請(qǐng)注意，這一步并非必需，僅用于演示在KickStart用戶(hù)界面中，當(dāng)存在多臺(tái)SMU或其他儀器可供選擇時(shí)，如何為儀器應(yīng)用自定義名稱(chēng)。

圖8：用戶(hù)可以重命名儀器實(shí)例。

3. 通過(guò)雙擊或拖拽方式，將MOSFET 2636B儀器放入主應(yīng)用暫存區(qū)（staging area），然后選擇I-V Characterizer（I-V表征器）。

圖9：選擇I-V Characterizer應(yīng)用。

4. 進(jìn)入SMU-1通道設(shè)置選項(xiàng)卡，將通道標(biāo)簽修改為“Drain（漏極）”。

圖10：重命名SMU通道。

5. 應(yīng)用以下漏極源（Drain source）設(shè)置更改（如圖 11所示）：

? a. 將Type（類(lèi)型）設(shè)置為Pulse（脈沖）。

? b. 將Function（功能）設(shè)置為Voltage（電壓）。

? c. 將Mode（模式）設(shè)置為Sweep（掃描）。

?d. 將Start level（起始電平）設(shè)置為0V。

? e. 將Stop level（停止電平）設(shè)置為10V。

圖11：應(yīng)用漏極源類(lèi)型與輸出設(shè)置。

6. 切換到SMU-2設(shè)置選項(xiàng)卡，并將通道標(biāo)簽修改為“Gate（柵極）”。

圖12：重命名SMU通道。

7. 應(yīng)用以下漏極源（Drain source）設(shè)置更改（如圖 13所示）：

? a. 將Type（類(lèi)型）設(shè)置為Pulse（脈沖）。

? b. 將Function（功能）設(shè)置為Voltage（電壓）。

? c. 將Mode（模式）設(shè)置為Sweep（掃描）。

?d. 將Start level（起始電平）設(shè)置為3V。

? e. 將Stop level（停止電平）設(shè)置為5V。

? f. 將Limit（電流限值）設(shè)置為10mA。

圖13：應(yīng)用柵極源類(lèi)型與輸出設(shè)置。

8. 在Measure（測(cè)量）設(shè)置區(qū)域中，將Range（量程）更改為10mA。

9. 切換到Common Settings（通用設(shè)置）面板，并應(yīng)用以下設(shè)置：

? a. 將Source/Sweep Points（源/掃描點(diǎn)數(shù)）設(shè)置為21。

? b. 將Source to Measure Delay（源到測(cè)量延時(shí)）設(shè)置為5e-4s。

? c. 將Width（脈沖寬度）設(shè)置為10ms。

?d. 將Off Time（關(guān)斷時(shí)間）設(shè)置為100ms。

? e. 將Stepper（步進(jìn)器）設(shè)置為Gate（柵極）。

? f. 將Stepper Points（步進(jìn)點(diǎn)數(shù)）設(shè)置為3。

請(qǐng)注意，Waveform Viewer（波形查看器）面板也會(huì)隨之更新，用于顯示每個(gè)SMU通道的輸出情況：

其中柵極步進(jìn)器（SMU-2）在其定義的每一個(gè)步進(jìn)點(diǎn)上施加固定電平，而漏極掃描器（SMU-1）則在每一個(gè)柵極步進(jìn)電平下執(zhí)行一次掃描。

圖14：應(yīng)用通用設(shè)置。

10. 單擊Run（運(yùn)行）按鈕以執(zhí)行測(cè)試。

11. 單擊KickStart用戶(hù)界面頂部的Graph（圖形）選項(xiàng)卡。

12. 將鼠標(biāo)光標(biāo)懸停在圖例（legend）上方，并取消選擇柵極（Gate）的電流數(shù)據(jù)。

圖15：更新圖例設(shè)置，僅在y軸上繪制漏極電流（Drain current）。

13. 將鼠標(biāo)光標(biāo)懸停在圖形頂部中央?yún)^(qū)域，以顯示標(biāo)題輸入字段，并為圖形輸入自定義標(biāo)題。

圖16： 為測(cè)試數(shù)據(jù)添加標(biāo)題。

14. 測(cè)試數(shù)據(jù)將立即以圖形方式顯示；同時(shí)，你也可以選擇將圖形保存為.png 文件*，或復(fù)制到剪貼板**，以便直接粘貼到消息或報(bào)告中。

圖17： 以圖形方式顯示的脈沖寬度調(diào)制輸出數(shù)據(jù)。

總結(jié)（Summary）

進(jìn)行脈沖測(cè)試的主要原因，是降低器件在被激活時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)熱——尤其是在器件以最大工作能力運(yùn)行并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的情況下。對(duì)于尚未完成合適封裝或散熱設(shè)計(jì)的早期器件方案而言，脈沖測(cè)試是最合適的測(cè)試階段。對(duì)于IGBT和功率MOSFET，脈沖測(cè)試有助于在早期階段獲取器件性能的關(guān)鍵洞察，從而發(fā)現(xiàn)潛在缺陷并推動(dòng)設(shè)計(jì)改進(jìn)。無(wú)論你的脈沖測(cè)試需求為何，Keithley源測(cè)量單元（SMU）與KickStart軟件都是理想的組合，可幫助你快速建立測(cè)試配置、采集數(shù)據(jù)，并以表格和圖形形式與同事共享測(cè)試結(jié)果。本文中給出的KickStart示例基于2636B系列SMU，該儀器在脈沖工作區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)10A、50W的輸出能力。同時(shí)需要注意的是，KickStart還支持2651A SMU（可實(shí)現(xiàn)更高電流，最高達(dá)50A）以及2657A SMU（可實(shí)現(xiàn)更高電壓，最高達(dá)3000V）。