【技术大咖测试笔记系列】之八：低功率范围内的MOSFET表征

作者：泰克科技技术大咖 Andrea Vinci

半导体行业一直在寻找新型特殊材料、介电解决方案和新型器件形状，以进一步、再进一步缩小器件尺寸。例如，2D材料的横向和纵向异质结构导致了新的颠覆性小型低功率电子器件的产生。

在为半导体器件电气特点编制准确的报告时，比如特殊的NANO-FETs，业内的科研人员、科学家和工程师都面临着一个共同的问题。当需要证明能够实际上以简便的、可重复的方式控制这些参数时，这个问题会变得更糟。

从触摸屏显示器控制的4200A电气参数表征系统

低电流范围内电气表征的典型问题是：必需确定低功率/低漏流MOSFET在不同条件下可实现的器件性能。

测量至关重要，因为它们识别具体指标（FoM），而这些指标会证实或否认特定应用内的有效行为。例如，n型FETs要求评估不同源极、漏极和栅极电压值上的打开和关闭漏极电流。FoMs可能会在不同应用间变化，但获得指标的方式基本相同：提供精确受控的以一定方式变化的电压或电流，同时准确地获得电压和电流测量，并与每个具体可变变量相关联。

在实践中，通过使用一定数量的源测量单元（SMUs），也就是能够在测量电流和电压的同时提供电流或电压的专门仪器，可以解决这个问题。但实用的解决方案看上去准备妥当时，许多隐藏的“细节”可能会导致问题和误导性结果，我们来看一下。

这些应该自问的关键问题

越来越常见的是，工程师会落入忘了从整体上仔细查看测试系统的陷阱。或者更好一点，他们清楚地看到自己的器件，他们清楚地看到自己的仪器，但看不到两者之间的东西。例如，我经常看到示波器用户忘了使用探头到达特定测试点，来测量电路板。对那些被提醒考虑探头对信号影响的工程师，他们一般仍会忘记探头引线对测量的影响，以及与信号耦合有关的问题。

“那么，这真有关系吗？”他们会问。遗憾的是，确实有关系，我们必需考虑这些影响。

对DC表征应用，风险是类似的。即使我们使用复杂昂贵的探测站系统器件来完成物理探，SMUs仍须强制施加电压、测量电流，通过电缆连接到探头卡上。这是否意味着我们应该认为电缆可能影响我们的测量结果呢？

不管答案是什么，重要的是在继续处理前你都要自己问一下这个问题。更重要的是，要确保回答是正确的。

CMOS制造中的精密测量，是说明连接能力重要性的典型实例。事实上，连接能力意味着在测试系统中增加电容。由于当今MOSFETs是在较宽的扩展频率范围内表征的，因此必须认真考虑增加的电容导致的任何影响。

我们先看一下连接对电容的影响。参数（自动化）测试设备一般使用三同轴电缆连接，这是源测量测试单元与被测器件之间非常典型的低噪声连接实例。三同轴电缆是一种特殊的同轴电缆，它通过一个额外的外部铜缆法拉第屏蔽层来绝缘传导信号的部分。即使法拉第屏蔽层降低了电缆的分布式电容，但在电缆总长变得有意义时，电缆增加的电容仍会影响测量。

我们看一个实际应用，比如测试系统必须表征n-MOSFET晶体管。在这个应用中，我们使用基于SMU的测试系统，追踪所谓的I-V曲线，这有时也称为“输出特点” 或“传递特点”。我们把栅极电压编程为前向和后向扫描（如前所述，使用SMU），同时测量漏极电流（也使用SMU）。

通过这些曲线，我们可以采集有用的数据，精确建立晶体管传导力激活和去激活模型，分析这些特征什么时候体现线性度或进入饱和行为，确定自热效应对这些参数和曲线可能会产生多大的位移。

当表征需要建立载流子、电子或孔眼（在状态之间跳动，根据多种条件修改其迁移性）的行为模型时，测量系统会以四线（或远程传感）配置连接DUT，并使用三同轴电缆。

看一下四线配置的三同轴电缆连接，总长度对应Force Hi和Sense Hi电缆长度之和。根据三同轴电缆的电容/米（pF/m）指标，我们可以计算出，用两条三同轴电缆把SMU连接到器件端子上，长度为20米（10米+ 10米），保护电容约为2 nF，屏蔽电容约为6 nF。

在这些情况下，SMU的灵敏度在测量弱电（一般在纳安级）的传递特点时没有意义，因为电容电缆负载会导致振荡。SMU不仅要有灵敏度，还必须能够保持电缆负载导致的有效电容，或者把SMU连接到DUT的任何引线的负载。

否则，灵敏度就没有用，SMU只会产生有噪声的振荡读数。

使用两个SMU与使用两个4211-SMU通过开关矩阵测得的FET的Id-Vd曲线对比。

能够确定测试电容是否影响测量正变得越来越关键。在这些情况下，吉时利应用工程师可以提供宝贵的咨询服务，确保客户避免陷阱。在设置中有长连接电缆时，或者在测量系统和DUT之间有开关矩阵时，或者DUT或卡盘要求进行纳安级测量时，最好复核设置，寻求顾问和建议。

为关键量程提供的最新解决方案

面对这些极具挑战性的特殊情况，必需在测量中使用特定的SMUs模块。吉时利推出了一种专用版SMU，可以用于类似4200A-SCS参数分析仪的参数分析系统中。

SMUs特别适合连接LCD测试站、探头、开关矩阵或任何其他大型测试仪或复杂的测试仪。

4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU（选配4200-PA前置放大器）支持稳定的弱电测量，即使是在长线缆连接导致较高的测试连接电容时。

事实上，这些模块可以供电并测量容性超过当今1，000倍的系统。例如，如果电流电平为1 ~ 100 pA （微微安），那么最新的吉时利模块会稳定在1 µF （微法拉）的负载电容上。相比之下，最大负载电容竞品在测量稳定性劣化前只能容忍1，000 pF （微微法拉），换句话说，比吉时利模块差1，000倍。

高阻抗应用C-V测量

总结

持续改进测量技术必不可少，以优化半导体材料，在集成晶体管中实现低接触电阻、专门的形状和独特的结构。GaN晶体管在未来功率电子中的成功，与铸造工艺中采用的纳米结构紧密相关。一方面，栅极宽度结构中的电容较低，所以要考虑任何其他有意义的电容影响，比如电缆和连接产生的电容。另一方面，通过改善SMU耐受高电容的能力，提供更高的测量稳定性，它们也克服了这些问题。