使用KickStart软件对MOSFET进行脉冲I-V特性表征

引言

在晶体管器件的研发阶段，制造商通常需要对设计原型进行电学特性评估。直流（DC）测试是最常见的方法，但对于许多半导体器件而言，只有脉冲或短时导通（开关）激励条件下，才能更真实地反映其实际工作行为。

相比连续直流测试，脉冲测试通过在极短时间内施加激励，可显著降低器件自发热（焦耳热）对测量结果的影响，从而更准确地表征器件的本征特性。这一优势使脉冲测量被广泛应用于纳米器件、功率器件及晶圆级测试等场景，尤其适用于对热效应高度敏感的精细结构和新型材料器件。

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，还能够简化多温区器件表征，并在一定程度上扩展测试仪器的电流、电压输出能力边界。尽管脉冲测试在硬件搭建上并不复杂，但在实际应用中，仪器配置、参数设置以及测试自动化往往具有较高门槛。理想情况下，应当借助一套直观的软件工具，以简化测试流程并提升效率。

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，说明如何使用Keithley KickStart软件快速建立自动化脉冲测试流程，并生成表格和图形化的测试结果。

MOSFET的I-V曲线测量

半导体器件（例如晶体管）是电子产品的基础。大多数器件在研发流程的不同阶段都需要进行电气特性表征，包括研究实验室、晶圆厂、高校以及器件制造商等。

Keithley是晶体管I-V特性表征领域的行业领导者。使用SMU（源测量单元）进行半导体器件表征非常理想，因为SMU既可以施加激励，又可以进行测量，尤其适用于低电流测量。对于端口数超过两个的器件进行测试，通常需要多台SMU。然而，一台双通道SMU即可完成单个场效应晶体管（FET）的绝大多数特性表征。图1展示了在MOSFET的I-V特性表征中使用两台SMU的示意。

图1：使用双通道SMU进行MOSFET I-V特性表征的电路示意图。

晶体管I-V特性表征中的常见测量参数包括：

■漏极电压（VD）

施加在 FET 漏极端的电压称为漏极电压。

■漏极电流（ID）

漏极端从电压源汲取的电流称为漏极电流。

漏极电流能够提供关于器件工作状态和效率的大量信息。

其他常见测量参数还包括：

■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MOSFET漏极特性曲线族。

图2： MOSFET的I-V曲线。

脉冲I-V特性表征

脉冲I-V特性表征（如前所述，即在极短时间内、以有限占空比施加电压和电流）是测量I-V曲线的另一种常见方式，可通过KickStart软件实现。脉冲I-V测量可以缩短测试时间，并在不超过MOSFET安全工作区、且不引起器件自热及参数漂移的情况下完成器件表征。

通常使用两个脉冲I-V通道来测量MOSFET的I-V曲线，其中一个通道连接至栅极，另一个通道连接至漏极。每个通道的地端均连接至MOSFET的源极引脚。

MOSFET特性曲线的构建过程

在构建晶体管特性曲线时，流程如下：

1. 栅极通道首先向栅极施加电压；

2. 随后，漏极通道对VDS进行扫描，并在每个扫描点测量相应的电流；

3. 接着，栅极通道施加另一组不同的栅极电压；

4. 重复上述过程，从而构建出下一条MOSFET I-V曲线，最终形成一组完整的特性曲线。

SMU可通过内置的脉冲和直流扫描功能简化上述过程，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

本示例应用演示了如何使用2636B系列SMU仪器对FET进行脉冲I-V表征测试。2636B非常适合用于半导体器件测试，因为它能够快速且高精度地输出和测量电流与电压。确定FET的I-V参数有助于确保其在预期应用中能够正常工作，并且满足相关规格要求。使用2636B可以执行多种I-V测试，包括：

• 栅极漏电流

• 击穿电压

•阈值电压

• 转移特性

• 漏极电流

测试所需的2636B仪器数量取决于需要施加偏置并进行测量的FET端子数量。

本应用展示了如何在三端MOSFET上执行一组漏极特性曲线（Vds-Id）测试。

MOSFET是最常用的FET类型，因为它是数字集成电路的基础器件。

所需设备与软件

一台2636B SourceMeterSMU仪器

Keithley KickStart启动软件2.6.0或更高版本，已安装在计算机上（可从tek.com/keithley-kickstart下载KickStart软件）

四根三轴电缆（Keithley 7078-TRX-10）

一套带有三轴母头连接器的金属屏蔽测试夹具或探针台

一个三轴T型连接器（Keithley 237-TRX-T）

使用一根GPIB电缆、USB电缆或以太网电缆之一

远程连接设置

本应用被配置为远程运行模式。您可以通过仪器支持的任意通信接口运行该应用，包括GPIB、USB或以太网。

图4显示了远程通信接口在仪器后面板上的连接位置。

图4：2636B远程接口连接示意图

设备连接（Device Connections）

为执行MOSFET的漏极特性曲线（drain family of curves）测试，需要将两台仪器都配置为源电压、测电流模式。在该电路中，将2636B的SMUB通道的Force HI端子连接到MOSFET的栅极（Gate），并将2636B的SMUA通道的Force HI端子连接到MOSFET的漏极（Drain）。将MOSFET的**源极（Source）**连接到2636B两个通道的Force LO端子。如果需要对MOSFET的三个端子都进行源/测操作，则需要第二台2636B（或一台2635B单通道SMU）。图5显示了使用两路2636B仪器通道对MOSFET进行I-V测试的配置方式。

图5：MOSFET的三端I-V测试配置示意图

图6显示了2636B通道后面板端子与MOSFET之间的连接方式。

• 栅极（Gate）

• 源极（Source）

• Force HI

• 237-TRX-T三同轴T型连接器

•7078-TRX-10三同轴至三同轴电缆

• 漏极（Drain）

图6：使用两路2636B通道测试三端MOSFET的连接配置

在该应用中，需要从2636B后面板的母头三同轴接口，使用 **四根三同轴电缆（7078-TRX-10）**连接至MOSFET器件。MOSFET器件应安装在带金属屏蔽的测试夹具中，该夹具配有母头三同轴接口。使用三同轴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

当计算机与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。启动界面将显示，如图7所示。

图7：KickStart软件启动页面。

2. 在仪器实例中，单击居中的标签，将其重命名为“MOSFET 2636B”。

请注意，这一步并非必需，仅用于演示在KickStart用户界面中，当存在多台SMU或其他仪器可供选择时，如何为仪器应用自定义名称。

图8：用户可以重命名仪器实例。

3. 通过双击或拖拽方式，将MOSFET 2636B仪器放入主应用暂存区（staging area），然后选择I-V Characterizer（I-V表征器）。

图9：选择I-V Characterizer应用。

4. 进入SMU-1通道设置选项卡，将通道标签修改为“Drain（漏极）”。

图10：重命名SMU通道。

5. 应用以下漏极源（Drain source）设置更改（如图 11所示）：

• a. 将Type（类型）设置为Pulse（脉冲）。

• b. 将Function（功能）设置为Voltage（电压）。

• c. 将Mode（模式）设置为Sweep（扫描）。

•d. 将Start level（起始电平）设置为0V。

• e. 将Stop level（停止电平）设置为10V。

图11：应用漏极源类型与输出设置。

6. 切换到SMU-2设置选项卡，并将通道标签修改为“Gate（栅极）”。

图12：重命名SMU通道。

7. 应用以下漏极源（Drain source）设置更改（如图 13所示）：

• a. 将Type（类型）设置为Pulse（脉冲）。

• b. 将Function（功能）设置为Voltage（电压）。

• c. 将Mode（模式）设置为Sweep（扫描）。

•d. 将Start level（起始电平）设置为3V。

• e. 将Stop level（停止电平）设置为5V。

• f. 将Limit（电流限值）设置为10mA。

图13：应用栅极源类型与输出设置。

8. 在Measure（测量）设置区域中，将Range（量程）更改为10mA。

9. 切换到Common Settings（通用设置）面板，并应用以下设置：

• a. 将Source/Sweep Points（源/扫描点数）设置为21。

• b. 将Source to Measure Delay（源到测量延时）设置为5e-4s。

• c. 将Width（脉冲宽度）设置为10ms。

•d. 将Off Time（关断时间）设置为100ms。

• e. 将Stepper（步进器）设置为Gate（栅极）。

• f. 将Stepper Points（步进点数）设置为3。

请注意，Waveform Viewer（波形查看器）面板也会随之更新，用于显示每个SMU通道的输出情况：

其中栅极步进器（SMU-2）在其定义的每一个步进点上施加固定电平，而漏极扫描器（SMU-1）则在每一个栅极步进电平下执行一次扫描。

图14：应用通用设置。

10. 单击Run（运行）按钮以执行测试。

11. 单击KickStart用户界面顶部的Graph（图形）选项卡。

12. 将鼠标光标悬停在图例（legend）上方，并取消选择栅极（Gate）的电流数据。

图15：更新图例设置，仅在y轴上绘制漏极电流（Drain current）。

13. 将鼠标光标悬停在图形顶部中央区域，以显示标题输入字段，并为图形输入自定义标题。

图16： 为测试数据添加标题。

14. 测试数据将立即以图形方式显示；同时，你也可以选择将图形保存为.png 文件*，或复制到剪贴板**，以便直接粘贴到消息或报告中。

图17： 以图形方式显示的脉冲宽度调制输出数据。

总结（Summary）

进行脉冲测试的主要原因，是降低器件在被激活时产生的自发热——尤其是在器件以最大工作能力运行并持续较长时间的情况下。对于尚未完成合适封装或散热设计的早期器件方案而言，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取器件性能的关键洞察，从而发现潜在缺陷并推动设计改进。无论你的脉冲测试需求为何，Keithley源测量单元（SMU）与KickStart软件都是理想的组合，可帮助你快速建立测试配置、采集数据，并以表格和图形形式与同事共享测试结果。本文中给出的KickStart示例基于2636B系列SMU，该仪器在脉冲工作区域内可实现10A、50W的输出能力。同时需要注意的是，KickStart还支持2651A SMU（可实现更高电流，最高达50A）以及2657A SMU（可实现更高电压，最高达3000V）。