在晶體管器件的研發(fā)階段，制造商通常需要對設(shè)計原型進(jìn)行電學(xué)特性評估。直流（DC）測試是最常見的方法，但對于許多半導(dǎo)體器件而言，只有脈沖或短時導(dǎo)通（開關(guān)）激勵條件下，才能更真實地反映其實際工作行為。

相比連續(xù)直流測試，脈沖測試通過在極短時間內(nèi)施加激勵，可顯著降低器件自發(fā)熱（焦耳熱）對測量結(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)勢使脈沖測量被廣泛應(yīng)用于納米器件、功率器件及晶圓級測試等場景，尤其適用于對熱效應(yīng)高度敏感的精細(xì)結(jié)構(gòu)和新型材料器件。

此外，脈沖測試不僅有助于降低早期封裝和散熱設(shè)計帶來的測試成本，還能夠簡化多溫區(qū)器件表征，并在一定程度上擴(kuò)展測試儀器的電流、電壓輸出能力邊界。

盡管脈沖測試在硬件搭建上并不復(fù)雜，但在實際應(yīng)用中，儀器配置、參數(shù)設(shè)置以及測試自動化往往具有較高門檻。理想情況下，應(yīng)當(dāng)借助一套直觀的軟件工具，以簡化測試流程并提升效率。

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

MOSFET 的 I-V 曲線測量

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，包括研究實驗室、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（源測量單元）進(jìn)行半導(dǎo)體器件表征非常理想，因為 SMU 既可以施加激勵，又可以進(jìn)行測量，尤其適用于低電流測量。對于端口數(shù)超過兩個的器件進(jìn)行測試，通常需要多臺 SMU。然而，一臺雙通道 SMU 即可完成單個場效應(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 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 特性表征中的常見測量參數(shù)包括：

· 漏極電壓（VD）：施加在 FET 漏極端的電壓稱為漏極電壓。

· 漏極電流（ID）：漏極端從電壓源汲取的電流稱為漏極電流。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。

其他常見測量參數(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 SourceMeter? SMU 儀器生成的 MOSFET 漏極特性曲線族。

圖2： MOSFET 的 I-V 曲線。

脈沖I-V 特性表征

脈沖I-V 特性表征（如前所述，即在極短時間內(nèi)、以有限占空比施加電壓和電流）是測量 I-V 曲線的另一種常見方式，可通過 KickStart 軟件實現(xiàn)。脈沖 I-V 測量可以縮短測試時間，并在不超過 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。

通常使用兩個脈沖I-V 通道來測量 MOSFET 的 I-V 曲線，其中一個通道連接至柵極，另一個通道連接至漏極。每個通道的地端均連接至 MOSFET 的源極引腳。

MOSFET 特性曲線的構(gòu)建過程

在構(gòu)建晶體管特性曲線時，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VDS 進(jìn)行掃描，并在每個掃描點測量相應(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)上述過程，從而構(gòu)建出下一條MOSFET I-V 曲線，最終形成一組完整的特性曲線。

SMU 可通過內(nèi)置的脈沖和直流掃描功能簡化上述過程，包括：線性階梯掃描、對數(shù)階梯掃描、自定義掃描。

在KickStart 中測量 FET 的脈沖 I-V 特性

本應(yīng)用演示了如何使用2636B 系列 SMU 儀器對 FET 進(jìn)行脈沖 I-V 表征測試。2636B 非常適合用于半導(dǎo)體器件測試，因為它能夠快速且高精度地輸出和測量電流與電壓。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，并且滿足相關(guān)規(guī)格要求。使用 2636B 可以執(zhí)行多種 I-V 測試，包括：

· 柵極漏電流

· 擊穿電壓

· 閾值電壓

· 轉(zhuǎn)移特性

· 漏極電流

測試所需的2636B 儀器數(shù)量取決于需要施加偏置并進(jìn)行測量的 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（Vds-Id） 測試。MOSFET 是最常用的 FET 類型，因為它是數(shù)字集成電路的基礎(chǔ)器件。

所需設(shè)備與軟件

· 一臺2636B SourceMeter? SMU 儀器

· Keithley KickStart 啟動軟件 2.6.0 或更高版本，已安裝在計算機(jī)上

· 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試夾具或探針臺

· 一個三軸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。你可以通過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（drain family of curves）測試，需要將兩臺儀器都配置為源電壓、測電流模式。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 兩個通道的 Force LO 端子。如果需要對 MOSFET 的三個端子都進(jìn)行源/測操作，則需要第二臺 2636B（或一臺 2635B 單通道 SMU）。圖 5 顯示了使用兩路 2636B 儀器通道對 MOSFET 進(jìn)行 I-V 測試的配置方式。

圖5：MOSFET 的三端 I-V 測試配置示意圖

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 兩個通道的 Force LO 端子同時連接到 MOSFET 的源極（Source）。
啟動 KickStart 并設(shè)置測試
當(dāng)計算機(jī)與 2636B 之間的通信電纜連接完成后，即可啟動 KickStart 軟件。
創(chuàng)建測試項目的步驟如下：

1. 啟動 KickStart 軟件。啟動界面將顯示，如圖 7所示。
   

圖7：KickStart 軟件啟動頁面。

2. 在儀器實例中，單擊居中的標(biāo)簽，將其重命名為 “MOSFET 2636B”。請注意，這一步并非必需，僅用于演示在 KickStart 用戶界面中，當(dāng)存在多臺 SMU 或其他儀器可供選擇時，如何為儀器應(yīng)用自定義名稱。
   

圖8：用戶可以重命名儀器實例。

3. 通過雙擊或拖拽方式，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 0 V。

e. 將 Stop level（停止電平） 設(shè)置為 10 V。

圖11：應(yīng)用漏極源類型與輸出設(shè)置。

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

圖12：重命名 SMU 通道。

7. 應(yīng)用以下柵極源（Gate source）設(shè)置更改（如圖 13所示）：

a. 將 Type（類型） 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 3 V。

e. 將 Stop level（停止電平） 設(shè)置為 5 V。

f. 將 Limit（電流限值） 設(shè)置為 10 mA。

圖13：應(yīng)用柵極源類型與輸出設(shè)置。

8. 在 Measure（測量） 設(shè)置區(qū)域中，將 Range（量程） 更改為 10 mA。
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/掃描點數(shù)） 設(shè)置為 21。

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

c. 將 Width（脈沖寬度） 設(shè)置為 10 ms。

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

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

f. 將 Stepper Points（步進(jìn)點數(shù)） 設(shè)置為 3。

圖14：應(yīng)用通用設(shè)置。

10. 單擊 Run（運(yùn)行） 按鈕以執(zhí)行測試。
11. 單擊 KickStart 用戶界面頂部的 Graph（圖形） 選項卡。
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： 為測試數(shù)據(jù)添加標(biāo)題。

14. 測試數(shù)據(jù)將立即以圖形方式顯示；同時，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)行脈沖測試的主要原因，是降低器件在被激活時產(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)較長時間的情況下。對于尚未完成合適封裝或散熱設(shè)計的早期器件方案而言，脈沖測試是最合適的測試階段。對于 IGBT 和 功率 MOSFET，脈沖測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)潛在缺陷并推動設(shè)計改進(jìn)。無論你的脈沖測試需求為何，Keithley 源測量單元（SMU）與 KickStart 軟件都是理想的組合，可幫助你快速建立測試配置、采集數(shù)據(jù)，并以表格和圖形形式與同事共享測試結(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)可實現(xiàn) 10 A、50 W 的輸出能力。同時需要注意的是，KickStart 還支持 2651A SMU（可實現(xiàn)更高電流，最高達(dá) 50 A）以及 2657A SMU（可實現(xiàn)更高電壓，最高達(dá) 3000 V）。

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