脈沖式電流-電壓(I-V)測(cè)試正在成為評(píng)估半導(dǎo)體器件性能和可靠性的極佳方法。這種測(cè)量方法具有較高的性價(jià)比，并可避免自加熱和瞬時(shí)俘獲電荷等可能導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)試結(jié)果的負(fù)面效應(yīng)，還可以為改進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件模型提供精確的器件數(shù)據(jù)。
脈沖式I-V測(cè)試方法需要用一個(gè)脈沖源去激勵(lì)晶體管或被測(cè)器件(DUT)，然后對(duì)器件進(jìn)行脈沖測(cè)量。由于射頻晶體管主要用于非線性響應(yīng)很常見(jiàn)的應(yīng)用，如開(kāi)關(guān)和放大器，因此大信號(hào)分析通常是脈沖式I-V測(cè)試的目標(biāo)。共有兩種主要的測(cè)試方法，即脈沖式I-V掃描和瞬態(tài)(單脈沖)測(cè)試(圖1)。通過(guò)使用雙通道脈沖源/測(cè)量系統(tǒng)，這種測(cè)試可以非常簡(jiǎn)單，并且極具性價(jià)比。
脈沖I-V測(cè)試技術(shù)表征射頻器件" border="0" height="200" onclick="javascript:window.open(this.src);" onload="return imgzoom(this,550)" src="http://www.ed-china.com/ARTICLE_IMAGES/200903/20090324_TM_DT_TS_01_F1.GIF" style="cursor: pointer" width="350" />
脈沖式I-V測(cè)量掃描方法產(chǎn)生的結(jié)果與大家熟悉的直流測(cè)試非常相似，如顯示在不同偏置條件下漏極電壓VD和漏極電流ID的行為曲線。這意味著供給柵極和漏極電壓的脈沖底部是非零值，即所謂的工作點(diǎn)或靜態(tài)(q)點(diǎn)。這種測(cè)試技術(shù)會(huì)對(duì)DUT施加低占空比的脈沖(占空比通常小于1%)，以避免自加熱和載流子俘獲效應(yīng)。如圖1中的左手邊所示的那樣，曲線上的每個(gè)點(diǎn)都是在脈沖穩(wěn)定或平坦期間對(duì)DUT進(jìn)行脈沖測(cè)量的結(jié)果。在實(shí)際操作中，會(huì)對(duì)許多脈沖測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均以提高總的測(cè)量結(jié)果質(zhì)量。
第二種脈沖式I-V測(cè)試是瞬態(tài)或單脈沖測(cè)試(見(jiàn)圖1的右手邊)。在這種情況下，測(cè)試結(jié)果將呈現(xiàn)為一種測(cè)量脈沖視圖或多個(gè)脈沖的平均。被測(cè)信號(hào)被繪制為相對(duì)于時(shí)間的DUT電壓或電流曲線，表明了任何隨時(shí)間推移而發(fā)生的變化，比如自加熱或電荷俘獲的開(kāi)始。
寬范圍的脈沖寬度對(duì)于脈沖式I-V測(cè)試來(lái)說(shuō)是很有用的，具體取決于DUT或材料類型和測(cè)試參數(shù)。針對(duì)毫秒級(jí)的脈沖寬度，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的源測(cè)量單元(SMU)。不過(guò)更短的脈沖(毫秒至納秒數(shù)量級(jí))對(duì)避免自加熱和電荷俘獲效應(yīng)來(lái)說(shuō)一般更加有效。因此，射頻晶體管的短脈沖脈沖式I-V測(cè)試一般可以用來(lái)創(chuàng)建更有用的模型。
用于描述射頻晶體管特征的一種非常管用的二分法是區(qū)別小信號(hào)和大信號(hào)測(cè)試之間的差異。小信號(hào)(S參數(shù))數(shù)據(jù)對(duì)精確表述線性器件非常有用，比如電纜、濾波器、連接器和耦合器等，也就是符合麥克斯韋爾方程的器件，這些器件可以產(chǎn)生隨時(shí)間和頻率的線性響應(yīng)。這意味著S參數(shù)提取要求線性響應(yīng)反饋建模過(guò)程。相反，射頻晶體管主要用于非線性響應(yīng)很常見(jiàn)的應(yīng)用，因此大信號(hào)分析對(duì)于評(píng)估處于實(shí)際狀態(tài)的器件最有用。
執(zhí)行大信號(hào)分析有許多種方法，包括使用大信號(hào)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、非50Ω測(cè)量以及脈沖式I-V測(cè)試。大信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析可以將非常適合小信號(hào)測(cè)量的方法和儀器拓展到較少歷史和文檔的大信號(hào)領(lǐng)域。大多數(shù)人認(rèn)為這種方法的理論基礎(chǔ)仍處于發(fā)展過(guò)程中，目前的用戶群相對(duì)比較小。另外，使用硬件創(chuàng)建和控制所需的大信號(hào)仍面臨艱巨的挑戰(zhàn)。
有兩種常見(jiàn)的方法可用于測(cè)試非50Ω環(huán)境中的射頻晶體管。一種是負(fù)載拉動(dòng)方法，這種方法使用人工或可編程的阻抗調(diào)整器改變晶體管(或其它有源器件)輸出端的阻抗，然后測(cè)量各種性能參數(shù)，如增益、壓縮、飽和功率、效率以及在這些不斷變化的阻抗條件下的線性度。輸出負(fù)載在斯密斯圖的多個(gè)區(qū)域中變化，以取得對(duì)器件行為的全面理解。第二種方法是源拉動(dòng)方法，這種方法將改變從晶體管輸入端看進(jìn)去的阻抗，同時(shí)測(cè)量包括信噪比(SNR)在內(nèi)的各種目標(biāo)參數(shù)。
脈沖式I-V測(cè)試也允許使用大信號(hào)，從理論基礎(chǔ)上講相當(dāng)直接。脈沖測(cè)試的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用來(lái)自直流建模和分析的擴(kuò)展知識(shí)庫(kù)。另外，它也能避免DUT中的自加熱和電荷俘獲效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)這三種不同的大信號(hào)分析方法之間不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而且經(jīng)常會(huì)使用多種方法來(lái)表征DUT的大信號(hào)行為。
脈沖式I-V測(cè)試在測(cè)試技術(shù)和儀器功能方面具有一些特定的要求，包括：
從非零底部或非零值(即偏置點(diǎn)/靜態(tài)點(diǎn)/直流偏移)產(chǎn)出脈沖；
同時(shí)對(duì)柵極和漏極施加偏置電壓脈沖；
采用小型化測(cè)試結(jié)構(gòu)或器件，并且功率要比大功率射頻晶體管的典型工作點(diǎn)低；
使用電流敏感電阻和軟件例程進(jìn)行負(fù)載線補(bǔ)償；
應(yīng)用軟件例程進(jìn)行電纜和其它互連的補(bǔ)償；
采用合適的工具解決系統(tǒng)和器件的振蕩問(wèn)題。
幸運(yùn)的是，已有商用化儀器可提供高效脈沖式I-V器件測(cè)試所需的所有性能。
圖2顯示了基于脈沖式I-V掃描的非零偏置點(diǎn)(右手邊的紅線)，也就是所謂的靜態(tài)點(diǎn)或q點(diǎn)。用于器件柵極和漏極的非零值將形成圖2左手邊以紅色“X”標(biāo)示的VD-ID圖中的一個(gè)點(diǎn)。作為非零底部的脈沖波形在圖2的兩邊以紅色特征表示。
在I-V掃描期間脈沖高度會(huì)變化，如圖2的右部所示。測(cè)量在脈沖中間進(jìn)行，詳見(jiàn)右圖上的黑色箭頭所示。圖2的左手邊還顯示了測(cè)量過(guò)程，其中黑色箭頭指向測(cè)量，并且遠(yuǎn)離q點(diǎn)。這表示器件在每?jī)纱螠y(cè)量期間會(huì)返回到q點(diǎn)狀態(tài)。
圖3描述了一個(gè)耗盡模式晶體管測(cè)試中的脈沖式I-V掃描。耗盡模式晶體管正常在柵極偏置為0V時(shí)導(dǎo)通，在柵極施加負(fù)電壓時(shí)關(guān)斷。耗盡模式晶體管的脈沖式I-V測(cè)試要求負(fù)的VG偏置點(diǎn)以便部分或完全導(dǎo)通DUT。在圖3中，通過(guò)使用小電壓VG和VD使器件部分導(dǎo)通。VG掃描從負(fù)電壓開(kāi)始，并掃描到稍高于0V。電壓VD從0V掃描到27V。本例還顯示了用于柵極的負(fù)偏置點(diǎn)(q點(diǎn))和用于漏極的正q點(diǎn)。包含偏置點(diǎn)(直流偏移)在內(nèi)的脈沖波形由脈沖儀器提供。
脈沖式I-V測(cè)試要求儀器具有雙通道能力以實(shí)現(xiàn)全面的q點(diǎn)測(cè)試，如測(cè)試耗盡模式晶體管所顯示的那樣。雖然可以在給晶體管漏極提供直流偏置、只給柵極提供脈沖的條件下執(zhí)行脈沖式I-V測(cè)試，但這樣做可能無(wú)法覆蓋所有感興趣的DUT測(cè)試條件。雖然漏極的直流偏置提供了簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，但在進(jìn)行VD-ID測(cè)試時(shí)不允許將q點(diǎn)值同時(shí)用于柵極和漏極，因?yàn)槁O信號(hào)經(jīng)常在掃描狀態(tài)，不在VD偏置點(diǎn)。為了支持完整的偏置點(diǎn)操作，柵極和漏極必須被同時(shí)施加脈沖。
許多射頻晶體管用于功率放大，并且可以處理高達(dá)200W的功率電平。能夠達(dá)到這種功率電平的脈沖源非常昂貴。因此為了控制成本和簡(jiǎn)化測(cè)試要求，DUT通常是用于表征的晶體管的縮小版本(圖4)，雖然即使是一個(gè)較小的器件在進(jìn)行脈沖式I-V測(cè)試時(shí)也需要約30W的脈沖功率。
