在晶體管器件的研發階段，制造商通常需要對設計原型進行電學特性評估。直流（DC）測試是最常見的方法，但對于許多半導體器件而言，只有脈沖或短時導通（開關）激勵條件下，才能更真實地反映其實際工作行為。

相比連續直流測試，脈沖測試通過在極短時間內施加激勵，可顯著降低器件自發熱（焦耳熱）對測量結果的影響，從而更準確地表征器件的本征特性。這一優勢使脈沖測量被廣泛應用于納米器件、功率器件及晶圓級測試等場景，尤其適用于對熱效應高度敏感的精細結構和新型材料器件。

此外，脈沖測試不僅有助于降低早期封裝和散熱設計帶來的測試成本，還能夠簡化多溫區器件表征，并在一定程度上擴展測試儀器的電流、電壓輸出能力邊界。盡管脈沖測試在硬件搭建上并不復雜，但在實際應用中，儀器配置、參數設置以及測試自動化往往具有較高門檻。理想情況下，應當借助一套直觀的軟件工具，以簡化測試流程并提升效率。

本文將介紹脈沖測試在半導體器件表征中的核心價值，并以MOSFET為例，說明如何使用Keithley KickStart軟件快速建立自動化脈沖測試流程，并生成表格和圖形化的測試結果。

MOSFET的I-V曲線測量

半導體器件（例如晶體管）是電子產品的基礎。大多數器件在研發流程的不同階段都需要進行電氣特性表征，包括研究實驗室、晶圓廠、高校以及器件制造商等。

Keithley是晶體管I-V特性表征領域的行業領導者。使用SMU（源測量單元）進行半導體器件表征非常理想，因為SMU既可以施加激勵，又可以進行測量，尤其適用于低電流測量。對于端口數超過兩個的器件進行測試，通常需要多臺SMU。然而，一臺雙通道SMU即可完成單個場效應晶體管（FET）的絕大多數特性表征。圖1展示了在MOSFET的I-V特性表征中使用兩臺SMU的示意。

圖1：使用雙通道SMU進行MOSFET I-V特性表征的電路示意圖。

晶體管I-V特性表征中的常見測量參數包括：

■ 漏極電壓（VD）

施加在 FET 漏極端的電壓稱為漏極電壓。

■ 漏極電流（ID）

漏極端從電壓源汲取的電流稱為漏極電流。

漏極電流能夠提供關于器件工作狀態和效率的大量信息。

其他常見測量參數還包括：

■ 柵極電壓（VG）

■ 柵極電流（IG）

■ 閾值電壓（VTH）

圖2顯示了使用雙通道Keithley SourceMeter? SMU 儀器生成的MOSFET漏極特性曲線族。

圖2： MOSFET的I-V曲線。

脈沖I-V特性表征

脈沖I-V特性表征（如前所述，即在極短時間內、以有限占空比施加電壓和電流）是測量I-V曲線的另一種常見方式，可通過KickStart軟件實現。脈沖I-V測量可以縮短測試時間，并在不超過MOSFET安全工作區、且不引起器件自熱及參數漂移的情況下完成器件表征。

通常使用兩個脈沖I-V通道來測量MOSFET的I-V曲線，其中一個通道連接至柵極，另一個通道連接至漏極。每個通道的地端均連接至MOSFET的源極引腳。

MOSFET特性曲線的構建過程

在構建晶體管特性曲線時，流程如下：

1. 柵極通道首先向柵極施加電壓；

2. 隨后，漏極通道對VDS進行掃描，并在每個掃描點測量相應的電流；

3. 接著，柵極通道施加另一組不同的柵極電壓；

4. 重復上述過程，從而構建出下一條MOSFET I-V曲線，最終形成一組完整的特性曲線。

SMU可通過內置的脈沖和直流掃描功能簡化上述過程，包括：

?  線性階梯掃描

?  對數階梯掃描

?  自定義掃描

在KickStart中測量FET脈沖I-V特性

本示例應用演示了如何使用2636B系列SMU儀器對FET進行脈沖I-V表征測試。2636B非常適合用于半導體器件測試，因為它能夠快速且高精度地輸出和測量電流與電壓。確定FET的I-V參數有助于確保其在預期應用中能夠正常工作，并且滿足相關規格要求。使用2636B可以執行多種I-V測試，包括：

?  柵極漏電流

?  擊穿電壓

?  閾值電壓

?  轉移特性

?  漏極電流

測試所需的2636B儀器數量取決于需要施加偏置并進行測量的FET端子數量。

本應用展示了如何在三端MOSFET上執行一組漏極特性曲線（Vds-Id）測試。

MOSFET是最常用的FET類型，因為它是數字集成電路的基礎器件。

所需設備與軟件

一臺2636B SourceMeter? SMU儀器

Keithley KickStart啟動軟件2.6.0或更高版本，已安裝在計算機上（可從tek.com/keithley-kickstart下載KickStart軟件）

四根三軸電纜（Keithley 7078-TRX-10）

一套帶有三軸母頭連接器的金屬屏蔽測試夾具或探針臺

一個三軸T型連接器（Keithley 237-TRX-T）

使用一根GPIB電纜、USB電纜或以太網電纜之一

遠程連接設置

本應用被配置為遠程運行模式。您可以通過儀器支持的任意通信接口運行該應用，包括GPIB、USB或以太網。

圖4顯示了遠程通信接口在儀器后面板上的連接位置。

圖4：2636B遠程接口連接示意圖

設備連接（Device Connections）

為執行MOSFET的漏極特性曲線（drain family of curves）測試，需要將兩臺儀器都配置為源電壓、測電流模式。在該電路中，將2636B的SMUB通道的Force HI端子連接到MOSFET的柵極（Gate），并將2636B的SMUA通道的Force HI端子連接到MOSFET的漏極（Drain）。將MOSFET的**源極（Source）**連接到2636B兩個通道的Force LO端子。如果需要對MOSFET的三個端子都進行源/測操作，則需要第二臺2636B（或一臺2635B單通道SMU）。圖5顯示了使用兩路2636B儀器通道對MOSFET進行I-V測試的配置方式。

圖5：MOSFET的三端I-V測試配置示意圖

圖6顯示了2636B通道后面板端子與MOSFET之間的連接方式。

?  柵極（Gate）

?  源極（Source）

?  Force HI

?  237-TRX-T三同軸T型連接器

?  7078-TRX-10三同軸至三同軸電纜

?  漏極（Drain）

圖6：使用兩路2636B通道測試三端MOSFET的連接配置

在該應用中，需要從2636B后面板的母頭三同軸接口，使用 **四根三同軸電纜（7078-TRX-10）**連接至MOSFET器件。MOSFET器件應安裝在帶金屬屏蔽的測試夾具中，該夾具配有母頭三同軸接口。使用三同軸T型連接器（237-TRX-T），將2636B兩個通道的Force LO端子同時連接到MOSFET的源極（Source）。

啟動KickStart并設置測試

當計算機與2636B之間的通信電纜連接完成后，即可啟動KickStart軟件。

創建測試項目的步驟如下：

1. 啟動KickStart軟件。啟動界面將顯示，如圖7所示。

圖7：KickStart軟件啟動頁面。

2. 在儀器實例中，單擊居中的標簽，將其重命名為 “MOSFET 2636B”。

請注意，這一步并非必需，僅用于演示在KickStart用戶界面中，當存在多臺SMU或其他儀器可供選擇時，如何為儀器應用自定義名稱。

圖8：用戶可以重命名儀器實例。

3. 通過雙擊或拖拽方式，將MOSFET 2636B儀器放入主應用暫存區（staging area），然后選擇I-V Characterizer（I-V表征器）。

圖9：選擇I-V Characterizer應用。

4. 進入SMU-1通道設置選項卡，將通道標簽修改為 “Drain（漏極）”。

圖10：重命名SMU通道。

5. 應用以下漏極源（Drain source）設置更改（如圖 11所示）：

?  a. 將Type（類型）設置為Pulse（脈沖）。

?  b. 將Function（功能）設置為Voltage（電壓）。

?  c. 將Mode（模式）設置為Sweep（掃描）。

?  d. 將Start level（起始電平）設置為0V。

?  e. 將Stop level（停止電平）設置為10V。

圖11：應用漏極源類型與輸出設置。

6. 切換到SMU-2設置選項卡，并將通道標簽修改為 “Gate（柵極）”。

圖12：重命名SMU通道。

7. 應用以下漏極源（Drain source）設置更改（如圖 13所示）：

?  a. 將Type（類型）設置為Pulse（脈沖）。

?  b. 將Function（功能）設置為Voltage（電壓）。

?  c. 將Mode（模式）設置為Sweep（掃描）。

?  d. 將Start level（起始電平）設置為3V。

?  e. 將Stop level（停止電平）設置為5V。

?  f. 將Limit（電流限值）設置為10mA。

圖13：應用柵極源類型與輸出設置。

8. 在Measure（測量）設置區域中，將Range（量程）更改為10mA。

9. 切換到Common Settings（通用設置）面板，并應用以下設置：

?  a. 將Source/Sweep Points（源/掃描點數）設置為21。

?  b. 將Source to Measure Delay（源到測量延時）設置為5e-4s。

?  c. 將Width（脈沖寬度）設置為10ms。

?  d. 將Off Time（關斷時間）設置為100ms。

?  e. 將Stepper（步進器）設置為Gate（柵極）。

?  f. 將Stepper Points（步進點數）設置為3。

請注意，Waveform Viewer（波形查看器）面板也會隨之更新，用于顯示每個SMU通道的輸出情況：

其中柵極步進器（SMU-2）在其定義的每一個步進點上施加固定電平，而漏極掃描器（SMU-1）則在每一個柵極步進電平下執行一次掃描。

圖14：應用通用設置。

10. 單擊Run（運行）按鈕以執行測試。

11. 單擊KickStart用戶界面頂部的Graph（圖形）選項卡。

12. 將鼠標光標懸停在圖例（legend）上方，并取消選擇柵極（Gate）的電流數據。

圖15：更新圖例設置，僅在y軸上繪制漏極電流（Drain current）。

13. 將鼠標光標懸停在圖形頂部中央區域，以顯示標題輸入字段，并為圖形輸入自定義標題。

圖16： 為測試數據添加標題。

14. 測試數據將立即以圖形方式顯示；同時，你也可以選擇將圖形保存為 .png 文件*，或復制到剪貼板**，以便直接粘貼到消息或報告中。

圖17： 以圖形方式顯示的脈沖寬度調制輸出數據。

總結（Summary）

進行脈沖測試的主要原因，是降低器件在被激活時產生的自發熱——尤其是在器件以最大工作能力運行并持續較長時間的情況下。對于尚未完成合適封裝或散熱設計的早期器件方案而言，脈沖測試是最合適的測試階段。對于IGBT和功率MOSFET，脈沖測試有助于在早期階段獲取器件性能的關鍵洞察，從而發現潛在缺陷并推動設計改進。無論你的脈沖測試需求為何，Keithley源測量單元（SMU）與KickStart軟件都是理想的組合，可幫助你快速建立測試配置、采集數據，并以表格和圖形形式與同事共享測試結果。本文中給出的KickStart示例基于2636B系列SMU，該儀器在脈沖工作區域內可實現10A、50W的輸出能力。同時需要注意的是，KickStart還支持2651A SMU（可實現更高電流，最高達50A）以及2657A SMU（可實現更高電壓，最高達3000V）。