簡介

本文件描述使用 Aim-TTi SMU4000 系列儀器、配件和軟體以描述場效電晶體特性的測試和測量方法。

SMU4000 系列

三個含鉛元件 (例如場效電晶體) 的特徵描述需要兩個 SMU 輸出通道;一個用於刺激 FET 的柵極,另一個則提供可以進行電流測量的漏極至源極電壓 (Vds)。

SMU4000 系列儀器提供單一輸出,然而,藉由新增第二個 SMU 並且透過 DIO 端子連接,可以實現功能齊全的雙通道 SMU。 僅在測試設定中新增一個額外的 SMU 可能會導致測試緩慢而費力,因此可以使用以下配件加速與簡化此類型測試的設定和執行:

SMU 連結配接器

透過 DIO 終端連結兩個 SMU,使它們能夠通過訊號交換觸發系統同時執行,進而有效地建立功能齊全的雙通道 SMU。

可以提供「SMU LINK」配接器配件,讓此「連結」使用起來更加簡單和方便,連結配接器可連接到兩個 DIO 終端連接埠以便將兩個 SMU 同步在一起,而無需單獨連接每個 DIO 終端。

SMU 連結配接器

Test Bridge SMU

透過使用免費的「Test Bridge SMU」PC 軟體,可以大幅簡化整個流程。 此軟體允許對兩種儀器進行完全控制,並提供強大的直覺式圖形功能,利用兩種 SMU 提供的測量資料繪製 I/V 曲線。

Test Bridge SMU

此 SMU 連結配接器的設計是透過後面板的 DIO 終端連接埠將兩個 Aim-TTi SMU 連接在一起

兩個 Aim-TTi SMUs 和一個連結配接器,透過 DIO 終端連接
圖 1:兩個 Aim-TTi SMUs 和一個連結配接器,透過 DIO 終端連接

它還可以用作一個或兩個儀器的 DIO 擴展器,無需單獨接線每個 DIO 終端。 如需有關將連結用作 DIO 擴展器的更多詳細資訊,請參閱「SMU Link Adaptor Instruction Manual (SMU 連結配接器說明手冊)」。

Aim-TTi 的 SMU 連結配接器
圖 2:Aim-TTi 的 SMU 連結配接器

透過使用連結配接器連接至觸發器 DIO 線路的訊號交換觸發系統,可以建立包含兩個 SMU 的功能齊全雙通道 SMU。

使用連結配接器連接兩個 SMU 時,配接器會在內部將每個 SMU 的「Trigger In (觸發器輸入)」連接至其他的「Trigger Out (觸發器輸出)」。 一旦與準位/ 形狀有關的所有測量完成時,將會設定「觸發器輸出」。

有了「Trigger In (觸發器輸入)」與「Trigger Out (觸發器輸出)」組合將無需進一步接線即可實現多台儀器的訊號交換。

為使得兩個 SMU 完整同步,請考慮在 SMU 的「Manual setup (手動設定)」中使用以下設定:

  • 若要開始測試,兩個 SMU 都必須為「RUN」。
  • 必須將兩台儀器上的 DIO 設定為高電平或低電平。
  • CNFG > [System] Interfaces ([系統] 介面) > [DIO] Pin Action ([DIO] 引腳動作)
  • 必須在兩個儀器上設定觸發器 (層級或形狀),必須選擇穩定以外的形狀來設定觸發器。
  • CNFG > [Source Measure Action] Manual Setup ([源測量操作] 手動設定) > [Timing] Trigger ([計時] 觸發器)
  • 如果要將兩組結果繪製在一張圖上,則兩個 SMU 上的測量總數必須相符。
  • 為保持同步,請在兩個 SMU 上設定相同數量的準位/形狀
使用準位觸發同步兩個 SMU
圖 3:範例設定 - 使用準位觸發同步兩個 SMU

觸發器輸入/ 觸發器輸出回應的時間一般將會是:

觸發器輸出 / 輸入典型時機
圖 4:觸發器輸出 / 輸入典型時機

測試設定

FET 測試設定範例,使用兩個 Aim-TTi SMU 和一個連結配接器
圖 5:FET 測試設定範例,使用兩個 Aim-TTi SMU 和一個連結配接器

需要的設備

  • 兩個 Aim-TTi SMU
  • Aim-TTi SMU 連結配接器(附排線)
  • 測試線與測試夾,每個 SMU 至少兩個。4 線路測量或使用 2 線路加上防護裝置需要額外的電纜
  • 用於特徵描述的 FET

特徵描述測試概念

若要執行場效電晶體的 IV 特徵測量,需要一個 SMU 透過提供柵源電壓 (Vgs) 來刺激 FET 的柵極,而另一個 SMU 則提供可以進行電流測量的漏極至源極電壓 (Vds)。

柵源電壓以離散電壓步驟進行從起始電壓到結束電壓的掃描,在這些步驟中的每一個步驟都會執行漏極電流測量。 接著可以對照漏極電流將柵極電壓繪製為 IV 曲線。 然後可以在不同的漏極至源極電壓下重複這一過程。

不同 FET 的數量龐大,形式和尺寸也各有不同,因此沒有一種設定配置適合所有裝置。 因此,本文件中的設定級別和限制是待測試設備所特有。 但是,同步測試需要一些關鍵設定才能按預期工作。

範例設定

電壓和電流設定是 FET 特有的
圖 6:範例設定表。[電壓和電流設定是 FET 特有的]

首先,同時也是最重要的,是手動設定中的「Trigger (觸發器)」設定。 必須將其設定為「Level (電平)」。 這實質上控制了全域觸發器的狀態,將其設定為「Level (電平)」表示在設定下一個電平之前,需要全域輸入觸發器,一旦針對設定的電平完成所有測量,則會設定全域輸出觸發器。 如果沒有這樣做,單元之間不會發生同步訊號交換。

為使得兩個 SMU 維持同步,需要兩個源電壓提供相同數量的電平,以確保在每個柵極電壓步驟中測量漏極電流。 這實際上表示 Vds 來源 SMU 的開始和結束電平可能維持不變。(即 Vds 電壓在整個測試中保持不變,但在每個步階電平上都有一個觸發測量)。

在大多數應用中,應該將「Measurement Count (測量計數)」設定為 1,如此可確保對於每個柵極電平電壓測量,都會有一個漏極電流測量。

必須將兩台儀器上的 DIO 設定為「Active High (高電平有效)」或「Active Low (低電平有效)」。

執行測試

一旦測試設定和配置完成,便可以執行 IV 特徵描述。

執行 FET 測試設定
圖 7:執行 FET 測試設定

若要執行測試,請啟用 SMU 1 (Vgs),等候第一次測量完成,接著啟用 SMU 2 (Vds)。 兩個 SMU 接著將執行測試並且透過 SMU 連結自行同步。

一旦測試完成後,每個 SMU 的結果可以透過 USB 快閃磁碟機或遠端匯出至 PC 以合併結果。

FET 測試結果,IV 曲線自 Aim-TTi Test Bridge SMU 匯出
圖 8:FET 測試結果,IV 曲線自 Aim-TTi Test Bridge SMU 匯出

這是說明如何在單個恆定漏極至源極電壓下使用一條 I/V 曲線描述 FET 特徵的例子。 但是,可以重複測試並且變更 SMU 2 的 Vds 掃描電壓,以便在不同的漏極至源極電壓下建立一系列結果。

這可以作為單獨測試完成,也可以透過將多個測試設定匯入序列模式組合成一個測試序列。
如需更多有關測試序列設定的資訊,請參閱「SMU4000 Series Instruction Manual (SMU4000 系列說明手冊)」。

在執行此測試類型時,SMU 1 的第一次測量以及 SMU 2 的最後一次測量對於每個步驟或設定可能是「未預期」的,導致與所示類似的結果:

FET 測試結果,IV 曲線自 Aim-TTI Test Bridge SMU 匯出
圖 9:FET 測試結果,IV 曲線自 Aim-TTI Test Bridge SMU 匯出

第一個和最後一個測量結果是在訊號交換過程開始時建立的。 有 FET 測試結果,Aim-TTI Test Bridge SMU 解決方案匯出的 IV 曲線可以減輕此影響:

使用兩個 Aim-TTi SMU 和一個連結配接器交換流程的訊號
圖 10:使用兩個 Aim-TTi SMU 和一個連結配接器交換流程的訊號

在 SMU 1 的設定中新增一個額外的單點; 允許 SMU 2 在 SMU 1 掃描完成之前進行最終測量。

增加總點數以補償這些結果,例如,如果需要 100 次測量,則選擇 101 點。 可以匯出測量結果並根據需要移除不需要的測量值。

將「測量控制」設定恆定電平;最終測量電平將在 SMU 1 輸出仍在執行的情況下加以記錄,SMU 1 的輸出將需要手動停用。

使用 Test Bridge SMU

透過使用免費的「Test Bridge SMU」PC 軟體,能夠讓使用兩個 SMU 描述 FET 特徵的整個過程變得更加簡單和快捷。 可從以下位置免費下載此軟體套件:www.aimtti.com/support。 此軟體允許對兩種儀器進行完全控制,並提供強大但是直覺式圖形功能,利用兩種 SMU 提供的測量資料繪製 IV 曲線。

Test Bridge SMU 設定功能

Aim-TTi Test Bridge,SMU 設定
圖 11:Aim-TTi Test Bridge,SMU 設定

初始化連接時,可以為每個 SMU 指定一個單獨的名稱以便於識別 - 例如「Gate Voltage」和「Current Drain」,此名稱隨後會與該儀器的所有匯出結果相關聯。 允許快速有效地組織結果以進行分析。

一旦確定之後,每個 SMU 的設定可以一起顯示在一個螢幕上,允許顯示和編輯每個儀器的所有設定。

在此視窗中,還可以儲存設定,並將其從某個 SMU 載入至另一個 SMU,無需進一步配置即可立即執行相同的設定。

Test Bridge SMU 序列功能

Test Bridge 可允許從一個地方建立序列,而不是在前面板上的多個螢幕建立。 只需使用「Mode (模式)」下拉式方塊將模式變更為序列,即可啟用「Sequence Mode (序列模式)」編輯器。

Aim-TTi Test Bridge,SMU 序列設定
圖 12:Aim-TTi Test Bridge,SMU 序列設定

一旦將某個步驟新增至序列中,就可以按照先前解釋的相同方式直接透過此視窗建立設定,使用步驟下方的擴展器或從外部檔案載入。 如此可為在不同的漏極至源極電壓下重複相同設定提供簡單的平台。

一個序列最多可以加入 25 個步驟。 每個序列步驟都可以根據需要命名和重新排序。

測試完成後,將出現一個快顥視窗,其中包含用於儲存/分析資料的選項。

使用 Test Bridge 分析結果

Test Bridge 提供強大的功能,可簡化從一個或兩個 SMU 中提取和分析結果的過程。

執行測試後,Test Bridge 將自 SMU 中提取結果,並將這些結果載入至「Results (結果)」索引標籤(如果在快顥視窗中勾選「Analyze Data (分析資料)」)。

Aim-TTi Test Bridge,SMU 結果分析
圖 13:Aim-TTi Test Bridge,SMU 結果分析

在描述 FET 特徵時,Test Bridge 可以使用「Two Datasets (雙資料集)」功能將 SMU 1 的柵極電壓結果與 SMU 2 的漏極電流結果繪製成圖表上的 IV 曲線。

圖表中組合的選定資料可以直接匯出至檔案,從兩個測試中建立一組簡潔的新結果,如果需要,可以在外部程式中進一步分析這些結果。 也可以直接從圖表中儲存影像檔,如圖 8 和 9 所示。

使用兩個資料集的 Aim-TTi Test Bridge SMU IV 圖表
圖 14:使用兩個資料集的 Aim-TTi Test Bridge SMU IV 圖表

如果結果是序列的一部分,測試橋接器會提供稱為「Grouping (分組)」的功能。 分組目的旨在用於在序列模式下透過 SMU 收集的測量資料,記錄的測量資料必須包含步驟和/或重複,如此分組才能發揮作用。 資料集內部的每個步驟都可以在 X 軸上顯示為新系列。

分組也允許在步驟重複或變動時拆分資料集。 圖 15 將資料集中的每個步驟和重複顯示為 X 軸上的新系列。進階縮放和平移功能也可用於進一步分析結果,以及許多其他功能。 如需瞭解更多資訊,請參閱「est Bridge SMU Instruction Manual (Test Bridge SMU 說明手冊)」。

使用兩個排序資料集的 Aim-TTi Test Bridge SMU I/V 圖表
圖 15:使用兩個排序資料集的 Aim-TTi Test Bridge SMU I/V 圖表
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