Caratterizzazione di transistor a effetto di campo con due SMU

(Introduction)

Questo documento descrive un metodo di test e misurazione per la caratterizzazione dei transistor a effetto di campo utilizzando gli strumenti, gli accessori e il software della serie Aim-TTi SMU4000.

La caratterizzazione di componenti a tre conduttori (come un transistor a effetto di campo) richiede due canali di uscita SMU: uno per stimolare il gate del FET e l'altro per fornire una tensione drain-source (Vds) per la quale è possibile effettuare misure di corrente.

Gli strumenti della serie SMU4000 dispongono di una sola uscita, ma è possibile ottenere una SMU a due canali pienamente funzionante con l'aggiunta di una seconda SMU, collegata tramite i terminali DIO. La semplice aggiunta di una SMU aggiuntiva all'impostazione del test può risultare lenta e laboriosa; per questo motivo sono disponibili i seguenti accessori che rendono questo tipo di test rapido e semplice da impostare ed eseguire:

Il collegamento di due SMU tramite i terminali DIO consente loro di funzionare simultaneamente tramite un sistema di attivazione handshake, creando di fatto una SMU a due canali pienamente funzionante.

È disponibile l'accessorio adattatore 'SMU LINK' per rendere questo 'link' molto più semplice e comodo da usare: l'adattatore link si collega a entrambe le porte dei terminali DIO per sincronizzare le due SMU insieme, senza la necessità di cablare ciascun terminale DIO individualmente.

L'intero processo può essere reso molto più semplice dall'uso del software gratuito per PC "Test bridge SMU". Questo software consente il controllo completo di entrambi gli strumenti e fornisce potenti funzioni grafiche intuitive per tracciare curve I/V con i dati di misurazione forniti da entrambe le SMU.

Utilizzo dell'adattatore di collegamento

Questo adattatore di collegamento SMU è progettato per collegare tra loro due SMU Aim-TTi tramite le porte terminali DIO sul pannello posteriore

Figura 1: Due SMU Aim-TTi e un adattatore di collegamento, collegati tramite i morsetti DIO

Può essere utilizzato anche come Espansore DIO per uno o due strumenti, eliminando la necessità di cablare singolarmente ogni terminale DIO. Per ulteriori dettagli sull'uso del link come espansore DIO, consultare il "Manuale di istruzioni dell'adattatore SMU Link".

Figura 2: Adattatore per collegamento SMU di Aim-TTi

È possibile creare una SMU a due canali completamente funzionante con due SMU tramite un sistema di trigger handshake utilizzando l'adattatore di collegamento per collegare le linee DIO di trigger.

Quando si usa l'adattatore di collegamento per collegare due SMU, l'adattatore collega internamente il 'Trigger In' di ciascuna SMU al 'Trigger Out' dell'altra. L'opzione 'Trigger Out' verrà impostata una volta completate tutte le misure associate al livello/alla forma.

Questa combinazione di 'Trigger in' e 'Trigger out' consente l'handshaking di più strumenti senza ulteriori cablaggi.

Per la sincronizzazione completa di due SMU, considerare le seguenti impostazioni con l'"impostazione manuale" della SMU:

• Per inizializzare il test, entrambe le SMU devono essere "RUN".
• Tutti i DIO devono essere impostati su attivo alto o attivo basso su entrambi gli strumenti.
• CNFG > [Sistema] Interfacce > [DIO] Pin Azione
• È necessario impostare un trigger (livello o forma) su entrambi gli strumenti, mentre per impostare il trigger è necessario selezionare una forma diversa da quella fissa.
• CNFG > [Azione di misurazione sorgente] Impostazione manuale > [Temporizzazione] Trigger
• Se si intende tracciare entrambe le serie di risultati su un unico grafico, il numero totale di misure su entrambe le SMU deve corrispondere.
• Per mantenere la sincronizzazione, impostare lo stesso numero di livelli/forme su entrambe le SMU

Figura 3: Esempio di configurazione - utilizzo del trigger di livello per sincronizzare due SMU

Il tempo di risposta di Trigger In/ Trigger Out è in genere pari al tempo necessario:

Figura 4: Temporizzazioni tipiche di Trigger Out / In

Configurazione del test

Figura 5: Esempio di configurazione del test FET, con due SMU Aim-TTi e un adattatore di collegamento

Attrezzatura necessaria

• Due SMU Aim-TTi
• Adattatore Aim-TTi SMU Link (cavi a nastro inclusi)
• Testare i cavi e le clip, almeno due per SMU. Per la misurazione a 4 fili o per l'utilizzo di 2 fili più la protezione sono necessari cavi aggiuntivi
• FET per la caratterizzazione

Concetto di test di caratterizzazione

Per eseguire una misurazione di caratterizzazione IV di un transistor a effetto di campo è necessario che una SMU stimoli il gate del FET fornendo una tensione da gate a source (Vgs), mentre l'altra SMU fornisce una tensione da drain a source (Vds) per la quale è possibile effettuare misure di corrente.

La tensione della sorgente di gate viene fatta oscillare da una tensione iniziale a una finale in passi di tensione discreti; a ciascuno di questi passi viene eseguita una misurazione della corrente di drain. La tensione di gate può quindi essere tracciata in funzione della corrente di drenaggio come curva IV. Questa operazione può essere ripetuta con diverse tensioni di drain e source.

Esiste un'enorme quantità di FET diversi, di forme e dimensioni differenti, pertanto non esiste una configurazione adatta a tutti. Pertanto, i livelli e i limiti impostati in questo documento sono molto specifici per il dispositivo in esame. Tuttavia, sono necessarie alcune impostazioni chiave affinché il test sincronizzato funzioni come previsto.

Impostazioni di esempio

Figura 6: Tabella delle impostazioni di esempio.[Le impostazioni di tensione e corrente sono specifiche per il FET]

Il primo, e più importante, è l'impostazione "Trigger" all'interno della configurazione manuale. Deve essere impostato su "Livello". Questo controlla essenzialmente lo stato del trigger globale; impostandolo su 'Livello' significa che è necessario un trigger di ingresso globale prima di impostare il livello successivo; una volta completate tutte le misure per il livello impostato, viene impostato il trigger di uscita globale. In assenza di ciò, non è possibile effettuare la sincronizzazione tra le unità.

Affinché entrambe le SMU rimangano sincronizzate, è necessario che entrambe emettano lo stesso numero di livelli per garantire una misurazione della corrente di drenaggio per ogni passo di tensione del gate. Ciò significa che il livello iniziale e finale rimarrà probabilmente lo stesso per la SMU di provenienza Vds. (cioè la tensione Vds rimane invariata per l'intero test, ma la misurazione viene attivata ad ogni livello).

Nella maggior parte delle applicazioni, il conteggio delle misure dovrebbe essere impostato su uno, in modo da garantire che per ogni misurazione di tensione a livello di gate vi sia una singola misurazione di corrente di drain.

Tutti i DIO devono essere impostati su 'Active High' o 'Active Low' su entrambi gli strumenti.

Esecuzione del test

Una volta completate l'impostazione e la configurazione del test, è possibile eseguire la caratterizzazione IV.

Figura 7: Esecuzione dell'impostazione del test FET

Per eseguire il test, attivare la SMU 1 (Vgs), attendere la prima misurazione e quindi attivare la SMU 2 (Vds). Le due SMU eseguono quindi il test e si sincronizzano tra loro tramite il collegamento SMU.

Una volta completato il test, i risultati di ciascuna SMU possono essere esportati tramite la chiavetta USB o in remoto su un PC per combinare i risultati.

Figura 8: Risultati del test FET, curva IV esportata da Aim-TTi Test Bridge SMU

Questo è un esempio di caratterizzazione di un FET con una curva I/V a una singola tensione costante tra drenaggio e sorgente. Tuttavia, il test può essere ripetuto e la tensione di sweep Vds della SMU 2 può essere modificata per ottenere una serie di risultati a diverse tensioni drain-source.

È possibile eseguire test singoli o combinarli in una sequenza di test importando più configurazioni di test nella modalità di sequenza.
Per ulteriori informazioni sulle impostazioni delle sequenze di test, consultare il "Manuale di istruzioni della serie SMU4000".

Quando si esegue questo tipo di test, la prima misurazione di SMU 1 e l'ultima misurazione di SMU 2 possono essere "inaspettate" per ogni fase o impostazione, causando un risultato simile a quello mostrato:

Figura 9: Risultati del test FET, curva IV esportata da Aim-TTI Test Bridge SMU

I risultati della prima e dell'ultima misurazione vengono creati durante l'avvio del processo di handshaking. Esistono risultati di test FET, curve IV esportate da Aim-TTI Test Bridge SMUsolutions che possono alleviare l'impatto di questo problema:

Figura 10: Processo di handshaking con due SMU Aim-TTi e un adattatore di collegamento

Aggiungere un ulteriore punto singolo all'impostazione della SMU 1; consentire alla SMU 2 di effettuare la misurazione finale prima che lo sweep della SMU 1 sia terminato.

Aumentare il numero totale di punti per compensare questi risultati, ad esempio se sono necessarie 100 misurazioni, selezionare 101 punti. I risultati delle misure possono essere esportati e le misure indesiderate possono essere rimosse, se necessario.

Impostare "Controllo misurazione" su livello costante; il livello finale misurato verrà registrato con l'uscita della SMU 1 ancora in funzione; l'uscita della SMU 1 dovrà essere disattivata manualmente.

Utilizzo del ponte di prova SMU

L'intero processo di caratterizzazione di un FET utilizzando due SMU può essere reso molto più semplice e rapido grazie all'uso del software gratuito per PC 'Test Bridge SMU'. Questo pacchetto è scaricabile gratuitamente da: www.aimtti.com/support. Questo software consente il controllo completo di entrambi gli strumenti e fornisce potenti funzioni grafiche Ma intuitive per tracciare curve IV con i dati di misurazione forniti da entrambe le SMU.

Caratteristiche di configurazione della SMU del ponte di prova

Figura 11: Ponte di prova Aim-TTi, configurazione SMU

Quando si inizializza la connessione, è possibile assegnare a ciascuna SMU un nome individuale per facilitare l'identificazione, ad esempio 'Tensione di gate' e 'Corrente di scarico'; questo nome viene poi associato a tutti i risultati esportati da quello strumento. Consentendo di organizzare i risultati in modo rapido ed efficiente per l'analisi.

Una volta identificate, le impostazioni di ciascuna SMU possono essere visualizzate insieme su un'unica schermata, consentendo di visualizzare e modificare tutte le impostazioni per ogni strumento.

Da questa finestra è possibile salvare e caricare le impostazioni da una SMU all'altra, consentendo l'esecuzione di impostazioni identiche in una sola volta senza necessità di ulteriori configurazioni.

Caratteristiche della sequenza SMU del ponte di prova

Il ponte di prova consente di creare le sequenze da un'unica postazione, rispetto alle schermate multiple del pannello frontale. È sufficiente cambiare la modalità in sequenza utilizzando la casella a discesa 'Modalità' per attivare l'editor della modalità sequenza.

Figura 12: Ponte di prova Aim-TTi, impostazione della sequenza SMU

Una volta aggiunto un passo alla sequenza, i setup possono essere creati direttamente da questa finestra, come spiegato in precedenza, utilizzando gli espansori sotto il passo o caricandoli da un file esterno. In questo modo si ottiene una piattaforma semplice per ripetere la stessa configurazione con tensioni diverse tra drenaggio e sorgente.

È possibile aggiungere fino a 25 passi a una sequenza. Ogni fase della sequenza può essere denominata e riordinata secondo le necessità.

Una volta completato il test, apparirà una finestra pop-up con le opzioni per salvare/analizzare i dati.

Analisi dei risultati con Test Bridge

Test bridge offre potenti funzioni per semplificare l'estrazione e l'analisi dei risultati, da una o due SMU.

Dopo aver eseguito un test, Test Bridge estrarrà i risultati dalle SMU e li caricherà nella scheda "Risultati" (se nella finestra pop-up è selezionata l'opzione "Analizza dati").

Figura 13: Ponte di prova Aim-TTi, analisi dei risultati SMU

Quando si caratterizza un FET, Test Bridge può tracciare i risultati della tensione di gate della SMU 1 rispetto ai risultati della corrente di drenaggio della SMU 2 come una curva IV sul grafico, utilizzando la funzione "Due Dataset".

I dati selezionati combinati nel grafico possono essere esportati direttamente in un file, creando una nuova serie concisa di risultati dei due test che, in base alle necessità, possono essere analizzati ulteriormente con un programma esterno. I file immagine possono anche essere salvati direttamente dal grafico, come illustrato nelle figure 8 e 9.

Figura 14: Grafico Aim-TTi Test Bridge SMU IV con due set di dati

Se i risultati fanno parte di una sequenza, Test bridge offre una funzione chiamata "raggruppamento". Il raggruppamento è stato progettato per essere utilizzato con i dati di misurazione raccolti dalla SMU in modalità Sequenza; i dati di misurazione registrati devono contenere passi e/o ripetizioni affinché il raggruppamento funzioni. Ciascuna fase del set di dati può essere visualizzata come una nuova serie sull'asse X.

Il raggruppamento consente anche di dividere un set di dati quando un passaggio si ripete o cambia. La Figura 15 mostra ogni passo e ripetizione all'interno del set di dati come una nuova serie sull'asse X. Sono inoltre disponibili funzioni avanzate di zoom e panning per analizzare ulteriormente i risultati, oltre a molte altre caratteristiche. Per ulteriori informazioni, consultare il "Manuale di istruzioni SMU Test Bridge".

Figura 15: Aim-TTi Test Bridge SMU Grafico I/V con due set di dati sequenziati