脉冲 I-V 测试在 MOSFET 器件表征中的应用与实现

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 SourceMeter® SMU 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 的脉冲 I-V 特性

本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 SourceMeter® SMU 仪器

· Keithley KickStart 启动软件 2.6.0 或更高版本，已安装在计算机上

· 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。你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 0 V。

e. 将 Stop level（停止电平） 设置为 10 V。

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. 应用以下栅极源（Gate 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 3 V。

e. 将 Stop level（停止电平） 设置为 5 V。

f. 将 Limit（电流限值） 设置为 10 mA。

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 10 mA。
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-4 s。

c. 将 Width（脉冲宽度） 设置为 10 ms。

d. 将 Off Time（关断时间） 设置为 100 ms。

e. 将 Stepper（步进器） 设置为 Gate（栅极）。

f. 将 Stepper Points（步进点数） 设置为 3。

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 10 A、50 W 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 50 A）以及 2657A SMU（可实现更高电压，最高达 3000 V）。

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