低功率范圍內(nèi)的MOSFET表征

半導體行業(yè)一直在尋找新型特殊材料、介電解決方案和新型器件形狀，以進一步、再進一步縮小器件尺寸。例如，2D材料的橫向和縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)導致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產(chǎn)生。

在為半導體器件電氣特點編制準確的報告時，比如特殊的NANO-FETs，業(yè)內(nèi)的科研人員、科學家和工程師都面臨著一個共同的問題。當需要證明能夠?qū)嶋H上以簡便的、可重復的方式控制這些參數(shù)時，這個問題會變得更糟。

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從觸摸屏顯示器控制的4200A電氣參數(shù)表征系統(tǒng)

低電流范圍內(nèi)電氣表征的典型問題是：必需確定低功率/低漏流MOSFET在不同條件下可實現(xiàn)的器件性能。

測量至關(guān)重要，因為它們識別具體指標（FoM），而這些指標會證實或否認特定應用內(nèi)的有效行為。例如，n型FETs要求評估不同源極、漏極和柵極電壓值上的打開和關(guān)閉漏極電流。FoMs可能會在不同應用間變化，但獲得指標的方式基本相同：提供精確受控的以一定方式變化的電壓或電流，同時準確地獲得電壓和電流測量，并與每個具體可變變量相關(guān)聯(lián)。

在實踐中，通過使用一定數(shù)量的源測量單元（SMUs），也就是能夠在測量電流和電壓的同時提供電流或電壓的專門儀器，可以解決這個問題。但實用的解決方案看上去準備妥當時，許多隱藏的“細節(jié)”可能會導致問題和誤導性結(jié)果，我們來看一下。

這些應該自問的關(guān)鍵問題

越來越常見的是，工程師會落入忘了從整體上仔細查看測試系統(tǒng)的陷阱?；蛘吒靡稽c，他們清楚地看到自己的器件，他們清楚地看到自己的儀器，但看不到兩者之間的東西。例如，我經(jīng)?？吹?a target="_blank">示波器用戶忘了使用探頭到達特定測試點，來測量電路板。對那些被提醒考慮探頭對信號影響的工程師，他們一般仍會忘記探頭引線對測量的影響，以及與信號耦合有關(guān)的問題。

“那么，這真有關(guān)系嗎？”他們會問。遺憾的是，確實有關(guān)系，我們必需考慮這些影響。

對DC表征應用，風險是類似的。即使我們使用復雜昂貴的探測站系統(tǒng)器件來完成物理探，SMUs仍須強制施加電壓、測量電流，通過電纜連接到探頭卡上。這是否意味著我們應該認為電纜可能影響我們的測量結(jié)果呢？

不管答案是什么，重要的是在繼續(xù)處理前你都要自己問一下這個問題。更重要的是，要確?；卮鹗钦_的。

CMOS制造中的精密測量，是說明連接能力重要性的典型實例。事實上，連接能力意味著在測試系統(tǒng)中增加電容。由于當今MOSFETs是在較寬的擴展頻率范圍內(nèi)表征的，因此必須認真考慮增加的電容導致的任何影響。

我們先看一下連接對電容的影響。參數(shù)（自動化）測試設(shè)備一般使用三同軸電纜連接，這是源測量測試單元與被測器件之間非常典型的低噪聲連接實例。三同軸電纜是一種特殊的同軸電纜，它通過一個額外的外部銅纜法拉第屏蔽層來絕緣傳導信號的部分。即使法拉第屏蔽層降低了電纜的分布式電容，但在電纜總長變得有意義時，電纜增加的電容仍會影響測量。

我們看一個實際應用，比如測試系統(tǒng)必須表征n-MOSFET晶體管。在這個應用中，我們使用基于SMU的測試系統(tǒng)，追蹤所謂的I-V曲線，這有時也稱為“輸出特點” 或“傳遞特點”。我們把柵極電壓編程為前向和后向掃描（如前所述，使用SMU），同時測量漏極電流（也使用SMU）。

通過這些曲線，我們可以采集有用的數(shù)據(jù)，精確建立晶體管傳導力激活和去激活模型，分析這些特征什么時候體現(xiàn)線性度或進入飽和行為，確定自熱效應對這些參數(shù)和曲線可能會產(chǎn)生多大的位移。

當表征需要建立載流子、電子或孔眼（在狀態(tài)之間跳動，根據(jù)多種條件修改其遷移性）的行為模型時，測量系統(tǒng)會以四線（或遠程傳感）配置連接DUT，并使用三同軸電纜。

看一下四線配置的三同軸電纜連接，總長度對應Force Hi和Sense Hi電纜長度之和。根據(jù)三同軸電纜的電容/米（pF/m）指標，我們可以計算出，用兩條三同軸電纜把SMU連接到器件端子上，長度為20米（10米+ 10米），保護電容約為2 nF，屏蔽電容約為6 nF。

在這些情況下，SMU的靈敏度在測量弱電（一般在納安級）的傳遞特點時沒有意義，因為電容電纜負載會導致振蕩。SMU不僅要有靈敏度，還必須能夠保持電纜負載導致的有效電容，或者把SMU連接到DUT的任何引線的負載。

否則，靈敏度就沒有用，SMU只會產(chǎn)生有噪聲的振蕩讀數(shù)。

使用兩個SMU與使用兩個4211-SMU通過開關(guān)矩陣測得的FET的Id-Vd曲線對比。

能夠確定測試電容是否影響測量正變得越來越關(guān)鍵。在這些情況下，吉時利應用工程師可以提供寶貴的咨詢服務(wù)，確?？蛻舯苊庀葳濉Ｔ谠O(shè)置中有長連接電纜時，或者在測量系統(tǒng)和DUT之間有開關(guān)矩陣時，或者DUT或卡盤要求進行納安級測量時，最好復核設(shè)置，尋求顧問和建議。

為關(guān)鍵量程提供的最新解決方案

面對這些極具挑戰(zhàn)性的特殊情況，必需在測量中使用特定的SMUs模塊。吉時利推出了一種專用版SMU，可以用于類似4200A-SCS參數(shù)分析儀的參數(shù)分析系統(tǒng)中。

SMUs特別適合連接LCD測試站、探頭、開關(guān)矩陣或任何其他大型測試儀或復雜的測試儀。

4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU（選配4200-PA前置放大器）支持穩(wěn)定的弱電測量，即使是在長線纜連接導致較高的測試連接電容時。

事實上，這些模塊可以供電并測量容性超過當今1，000倍的系統(tǒng)。例如，如果電流電平為1 ~ 100 pA （微微安），那么最新的吉時利模塊會穩(wěn)定在1 μF （微法拉）的負載電容上。相比之下，最大負載電容競品在測量穩(wěn)定性劣化前只能容忍1，000 pF （微微法拉），換句話說，比吉時利模塊差1，000倍。

高阻抗應用C-V測量

總結(jié)

持續(xù)改進測量技術(shù)必不可少，以優(yōu)化半導體材料，在集成晶體管中實現(xiàn)低接觸電阻、專門的形狀和獨特的結(jié)構(gòu)。GaN晶體管在未來功率電子中的成功，與鑄造工藝中采用的納米結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。一方面，柵極寬度結(jié)構(gòu)中的電容較低，所以要考慮任何其他有意義的電容影響，比如電纜和連接產(chǎn)生的電容。另一方面，通過改善SMU耐受高電容的能力，提供更高的測量穩(wěn)定性，它們也克服了這些問題。