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透過 PXI-4130 Power SMU 進行場效電晶體 (FET) 測試

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Overview

場效電晶體 (Field-effect transistor，FET) 的導通電流，將因施加電場的不同而有所變化，屬於電壓控制的裝置。金屬氧化半導體 FET (MOSFET) 為最常見的 FET，用於積體電路 (IC) 與高速切換應用中。MOSFETS 可分為增強型 (Enhancement-type) 或空乏型 (Depletion-type)，並依特性區分為 N-channel 或 P-channel 裝置。

由於 MOSFET 僅需極低的電流強度即可作業，因此需要高解析度的裝置進行測試。此篇文件將說明 MOSFET 的基本概念，並針對 N-channel 增強型 MOSFET (NMOS) 提供 NI 解決方案。

Table of Contents

  1. NMOS 電晶體基本概念
  2. 電晶體測試的硬體設定
  3. 擷取特性描述曲線的軟體解決方案

NMOS 電晶體基本概念


圖 1.金屬氧化電晶體


NMOS 電晶體具備 3 個端點：Gate、Drain、Source；最後為基體 (Body)。Source 與 Body 均接地之後，裝置本身即可運作；換句話說，根據電晶體 Gate (VGS) 與 Drain (VDS) 所施加的電壓，進而產生汲電流 (Drain current，iD)。NMOS 電晶體均具有 1 組臨界電壓 (Threshold voltage，Vt)，為穩定且專屬的電壓。若要電晶體進行作業，則 VGS 必須大於 Vt。一旦滿足此條件，則於 Gate 與 Drain 所施加的電壓，即可用以控制汲電流。VGS、VDS，與 iD 之間的關係，可分為 3 個部分：

  1. Cut-off Region：在此區域中，並無任何通道具備 VD (意即 iD = 0)。(VGS < Vt)
  2. Ohmic/Triode Region：
    NMOS 電晶體則已啟動，且不為「截止 (Pinched off)」狀態。意即 VDS 的數值將影響 iD 的數值 (VGS > Vt 且 VDS ≤ VGS – Vt)。圖 2 則顯示此區域中 VGS、VDS，與 iD 的關係。請注意 iD 與 VDS 之間的線性關係。在此區域中，iD 將完全符合歐姆法則 (Ohms Law)，而 NMOS 電晶體則如受電壓控制的電阻器而產生反應。




圖 2.   iD 對 VDS (Ohmic/Triode Region)



3. Active/Saturation Region：由於 VD 所增加的數值，並不會對 iD (VGS > Vt and VDS > VGS – Vt) 造成影響，因此通道屬於
 「Pinched off」狀態。在飽和 (Saturation) 區域中，汲電流強度直接受到 VGS > Vt 的數值所影響。



圖 3.   iD 對. VDS (左)；   iD 對. VGS (右)


 若工程師要於系統中建置 NMOS 電晶體，則此 2 組特性描述曲線將提供重要資訊，以了解特定單元於特定作業區域是否為 Pass/Fail。圖 3 則顯示從 Triode 區域轉為 Saturation 區域的 VGS 離散值；還有 NMOS 電晶體在 Saturation 區域中，VGS 發生變化時相對應 iD。

電晶體測試的硬體設定

當要測試 NMOS 並擷取特性描述區現實，必須同時對 VGS 與 VD 供應電流，且使用另 1 組裝置量測 iD。此類應用往往選擇電源量測單位 (SMU) 進行量測，可同時供應並掃瞄電壓，以量測所產生的電流。  

圖 4. NI PXI-4130 Power SMU

 

NI PXI-4130 為單槽式 3U PXI 模組，屬於可程式化的高功率電源量測單位 (SMU)。NI PXI-4130 具備 1 個具隔離功能的 SMU 通道，可提供 4 個象限的 ±20 V 輸出，並整合遠端 (4 線式) 感測功能。透過最低 1 nA 量測解析度的 5 組電流範圍，此精確電源供應器適於設計檢驗與半導體的測試應用，包含需要程式化電源供應 (Sourcing)、掃頻 (Sweeping)，與高精確度的量測。PXI-4130 亦具備公用通道，具有 16 位元的設定點 (Setpoint) 與量測解析度，可提供電流或電壓。此輸出將提供最高 6 V 與 1 A，可做為 SMU 通道的補償式電源供應；僅需單一模組即可執行電晶體的特性描述 (Characterization) 應用，大幅降低複雜度、儀器體積，與相關成本。


圖 4.單一 NI PXI-4130 Power SMU 進行電晶體特性描述 (Characterization) 作業的連結圖。


雖然 NI PXI-4130 Power SMU 可為多種 IV 特性描述應用的完整解決方案，但仍有某幾款 NMOS 電晶體僅需極低的 Saturation 程度即可作業，甚至需要 1nA 以下的量測作業。在此情況下，工程師可使用高解析度的 DMM，如 PXI-4071 FlexDMM 可於 1μA 的量測範圍中達到 1 pA (10-12) 解析度，因此可量測極小的 iD 值。在量測極小電流時所必須注意的 1 點，即是系統的環境雜訊。若要將雜訊降至最低，則可使用合適的抗雜訊連接線、抗雜訊外殼，與接地裝置。

擷取特性描述曲線的軟體解決方案

除了儀控硬體之外，IV 特性描述應用的重要考量，即是軟體環境。雖然NI PXI-4130 Power SMU 可搭配使用多種程式語言 (包含 C++ 與 Visual Basic)，但 NI 仍推薦使用 LabVIEW 圖形化程式設計環境，或 LabVIEW SignalExpress 互動式量測平台，且均提供簡單易用的顯示功能。

NI LabVIEW SignalExpress

  LabVIEW SignalExpress 為互動式量測軟體，不需進行程式設計即可擷取、分析，並呈現資料。若要於 LabVIEW SignalExpress 中執行 IV 特性描述作業，僅需針對 1 組步進插入 2 組掃瞄，以介接 NI PXI-4130 硬體即可。透過此環境，可迅速入門並執行量測與顯示作業。下圖即為 LabVIEW SignalExpress 環境中所執行的 IV 掃瞄。


圖 5. LabVIEW SignalExpress 免程式設計環境中的   iD 對 VDS

NI LabVIEW

在自動化測試應用中，往往必須透過程式設計的方式控制硬體，並以使用者定義的方式分析資料。在這些需求之下，NI 推薦使用 LabVIEW 圖形化程式設計環境進行更客制化的量測、分析，與顯示作業。為了可順利上手，NI PXI-4130 Power SMU 出貨時即隨附了 NI-DCPower 硬體驅動程式，內建多組預先建立的範例程式，亦包含 IV 特性描述範例。使用者可直接輸入掃瞄參數以迅速執行作業，並客制化自己所需的應用。

圖 6.LabVIEW 圖形化程式設計環境中的 IV 曲線追蹤範例

結論

單一 NI PXI-4130 Power SMU 儀器即可量測裝置並描述特性，極適用於 IV 特性描述應用。然而，NMOS 電晶體的特性描述作業，僅代表部分的 NI 儀器功能。除了可供應低電流並進行量測之外，精確的 NI PXI 儀器亦可用於多種應用，如測試洩漏電流，或量測半導體檢驗的電壓強度與功率牽引 (Power draw)。再以 LabVIEW 圖形化程式設計環境整合相關硬體，即建構可擷取、分析，並呈現資料的高端工具。若需進一步資訊，則可參閱：

 

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