使用KickStart软件对MOSFET进行脉冲I-V特性表征
简介
在晶体管器件的研发阶段，制造商通常需要评估原型设计的电气特性。直流（DC）测试是最常见的方法，但对于许多半导体器件来说，只有脉冲或短时导通（开关）激励条件才能更真实地反映其实际工作行为。
与连续直流测试相比，脉冲测试可以通过在极短的时间内施加激励，显着降低器件自热（焦耳热）对测量结果的影响，从而更准确地表征器件的固有特性。这一优势使得脉冲测量广泛应用于纳米器件、功率器件、晶圆级测试等场景。特别适用于对热效应高度敏感的精细结构和新材料器件。
此外，脉冲测试不仅有助于降低早期封装和散热设计带来的测试成本，还可以简化多温区器件表征，并在一定程度上扩展了测试仪器的电流和电压输出能力边界。虽然脉冲测试的硬件搭建并不复杂，但在实际应用中，仪器配置、参数设置和测试自动化往往具有较高的门槛。理想情况下，这应该得到一组直观的软件工具的帮助，这些工具可以简化测试过程并提高效率。
本文将介绍脉冲测试在半导体器件表征中的核心价值，并以MOSFET 为例，讲解如何使用Keithley KickStart 软件快速建立自动化脉冲测试流程并生成表格和图形测试结果。
MOSFET的I-V曲线测量
晶体管等半导体器件是电子产品的基础。大多数设备都需要在开发过程的各个阶段进行电气特性表征，包括研究实验室、晶圆厂、大学和设备制造商。
Keithley 是晶体管I-V 表征领域的行业领导者。使用SMU（源测量单元）是半导体器件表征的理想选择，因为SMU 既可以施加激励又可以进行测量，特别是对于低电流测量。对于测试具有两个以上端口的设备，通常需要多个SMU。然而，双通道SMU 可以完成单个场效应晶体管(FET) 的大部分表征。图1 显示了在MOSFET 的I-V 特性表征中使用两个SMU。
图1：使用双通道SMU 进行MOSFET I-V 表征的电路原理图。
晶体管I-V 表征中的常见测量参数包括：
漏极电压(VD)
施加到FET 漏极端子的电压称为漏极电压。
漏极电流(ID)
漏极端子从电压源汲取的电流称为漏极电流。
漏极电流可以提供有关器件运行和效率的丰富信息。
其他常见的测量参数包括：
栅极电压(VG)
栅极电流(IG)
阈值电压（VTH）
图2 显示了使用双通道Keithley SourceMeterSMU 仪器生成的一系列MOSFET 漏极特性。
图2：MOSFET I-V 曲线。
脉冲I-V 特性表征
脉冲I-V 表征（如前所述，在很短的时间内以有限的占空比施加电压和电流）是测量I-V 曲线的另一种常见方法，可以通过KickStart 软件实现。脉冲I-V 测量可以缩短测试时间并完成器件表征，而不会超出MOSFET 安全工作区域，并且不会导致器件自发热和参数漂移。
MOSFET 的I-V 曲线通常使用两个脉冲I-V 通道进行测量，其中一个通道连接到栅极，另一个通道连接到漏极。每个通道的接地端子连接至MOSFET 的源极引脚。
MOSFET特性曲线构建过程
构建晶体管特性曲线时，过程如下：
1、栅极沟道首先给栅极施加电压；
2、随后漏极通道扫描VDS并测量每个扫描点对应的电流；
3. 接下来，向栅极沟道施加另一组不同的栅极电压；
4. 重复上述过程构建下一条MOSFET I-V曲线，最终形成一套完整的特性曲线。
SMU 通过内置脉冲和直流扫描功能简化了这一过程，包括：
• 线性阶梯扫描
• 对数阶梯扫描
• 自定义扫描
在KickStart 中测量FET 脉冲I-V 特性
此示例应用演示了如何使用2636B 系列SMU 仪器执行FET 的脉冲I-V 特性测试。 2636B 非常适合半导体器件测试，因为它能够快速、高精度地获取和测量电流和电压。确定FET 的I-V 参数有助于确保其在预期应用中正常运行并满足相关规范。使用2636B 可以执行各种I-V 测试，包括：
• 栅极漏电流
• 击穿电压
•阈值电压
• 转移属性
• 漏极电流
测试所需的2636B 仪器数量取决于需要偏置和测量的FET 端子数量。
此应用展示了如何对三端MOSFET 执行一组漏极特性曲线(Vds-Id) 测试。
MOSFET是FET中最常用的类型，因为它是数字集成电路的基本器件。
所需设备和软件
2636B SourceMeterSMU 仪器
您的计算机上安装有Keithley KickStart 软件版本2.6.0 或更高版本（KickStart 软件可从tek.com/keithley-kickstart 下载）
四根三轴电缆(Keithley 7078-TRX-10)
一组带有三轴母连接器的金属屏蔽测试夹具或探针台
1 个三轴T 型连接器(Keithley 237-TRX-T)
使用GPIB 电缆、USB 电缆或以太网电缆之一
远程连接设置
该应用程序配置为远程运行。您可以通过仪器支持的任何通信接口运行应用程序，包括GPIB、USB 或以太网。
图4所示为仪器后面板上远程通讯接口的连接位置。
图4：2636B远程接口连接图
设备连接
要执行MOSFET 漏极曲线系列测试，需要将两台仪器配置为源电压和电流测量模式。在该电路中，将2636B的SMUB通道的Force HI端子连接到MOSFET的栅极，并将2636B的SMUA通道的Force HI端子连接到MOSFET的漏极。将MOSFET 的**源** 连接到2636B 两个通道的强制LO 端子。如果MOSFET 的所有三个端子都需要源/测试操作，则需要第二个2636B（或2635B 单通道SMU）。图5 显示了使用两个2636B 仪器通道进行MOSFET I-V 测试的配置。
图5：MOSFET三端I-V测试配置示意图
图6 显示了2636B 通道后面板端子与MOSFET 之间的连接。
•门
• 来源
• 强制HI
• 237-TRX-T 三轴T 型连接器
•7078-TRX-10 三同轴到三同轴电缆
• 排水
图6：使用两个2636B 通道测试三端MOSFET 的连接配置
在此应用中，需要四根三同轴电缆(7078-TRX-10) 从2636B 后面板上的母三同轴连接器连接到MOSFET 器件。 MOSFET 器件应安装在配备母三同轴接口的金属屏蔽测试夹具中。使用三轴T 型连接器(237-TRX-T)，将2636B 两个通道的Force LO 端子同时连接到MOSFET 的源极(Source)。
启动KickStart 并设置测试
当计算机和2636B 之间的通信电缆连接完成后，即可启动KickStart 软件。
创建测试项目的步骤如下：
1. 启动KickStart 软件。启动界面如图7所示。
图7：KickStart 软件启动页面。
2. 在仪器实例中，单击中心标签并将其重命名为“MOSFET 2636B”。
请注意，此步骤不是必需的，仅用于演示当有多个SMU 或其他仪器可供选择时如何在KickStart 用户界面中应用仪器的自定义名称。
图8：用户可以重命名仪器实例。
3. 通过双击或拖动MOSFET 2636B 仪器将其放入主应用暂存区域，然后选择I-V 表征器。
图9：选择I-V 表征器应用。
4. 进入SMU-1通道设置选项卡，将通道标签更改为“Drain”。
图10：重命名SMU 通道。
5. 应用以下排出源设置更改（如图11 所示）：
• a.将类型设置为脉冲。
• b将功能设置为电压。
• c将模式设置为扫描。
•d将启动电平设置为0V。
• e将停止电平设置为10V。
图11：应用漏源类型和输出设置。
6. 切换到SMU-2 设置选项卡并将通道标签更改为“Gate”。
图12：重命名SMU 通道。
7. 应用以下排出源设置更改（如图13 所示）：
• a.将类型设置为脉冲。
• b将功能设置为电压。
• c将模式设置为扫描。
•d将启动电平设置为3V。
• e将停止电平设置为5V。
• f。将Limit（电流限制）设置为10mA。
图13：应用门源类型和输出设置。
8. 在测量设置区域中，将范围更改为10mA。
9. 切换到“通用设置”面板并应用以下设置：
• a.将源/扫描点设置为21。
• b将源测量延迟设置为5e-4s。
• c将Width（脉冲宽度）设置为10ms。
•d将关闭时间设置为100 毫秒。
• e将步进器设置为门。
• f。将步进点设置为3。
请注意，波形查看器面板也会更新以显示每个SMU 通道的输出：
栅极步进器(SMU-2) 在其定义的每个步进点应用固定电平，而漏极扫描器(SMU-1) 在每个栅极步进电平执行扫描。
图14：应用常用设置。
10. 单击“运行”按钮执行测试。
11. 单击KickStart 用户界面顶部的图表选项卡。
12. 将鼠标光标悬停在图例上并取消选择门电流数据。
图15：更新了图例设置，仅在y 轴上绘制漏极电流。
13. 将鼠标光标悬停在图形的顶部中心区域上以显示标题输入字段，并为图形输入自定义标题。
图16：向测试数据添加标题。
14、测试数据立即以图形方式显示；您还可以选择将图形另存为.png 文件* 或将其复制到剪贴板** 以直接粘贴到消息或报告中。
图17：脉宽调制输出数据的图形显示。
概括
执行脉冲测试的主要原因是减少设备激活时产生的自热，特别是当设备长时间以最大工作容量运行时。对于尚未完成适当封装或热设计的早期器件解决方案，脉冲测试是最合适的测试阶段。对于IGBT 和功率MOSFET，脉冲测试有助于在早期阶段获得对器件性能的重要洞察，发现潜在缺陷并推动设计改进。无论您的脉冲测试需求如何，Keithley 源测量单元(SMU) 和KickStart 软件都是理想的组合，可帮助您快速设置测试配置、收集数据并以表格和图形形式与同事共享测试结果。本文给出的KickStart示例基于2636B系列SMU，可以在脉冲工作区实现10A和50W的输出能力。还需要注意的是，KickStart还支持2651A SMU（可以实现更高的电流，高达50A）和2657A SMU（可以实现更高的电压，高达3000V）。
