半导体特性分析仪和脉冲产生器测量电荷泵

电荷泵技术概述

电荷泵测量方法广泛应用于MOSFET元件的介面态密度测量。随着高介电常数(高)闸极材料的发展，已证明电荷泵对高薄闸极薄膜中电荷陷阱现象的测量极为有效。可以採用电荷泵测量方法来撷取介面陷阱密度，闸极漏电流的影响可以通过以下方法来解决：即测量较低频率上的电荷泵电流并在更高频率下获得的测量结果中减去这一数据。

基本的电荷泵测量方法需要在测量底板电流的同时，向源极、漏极和基极都接地的电晶体的闸极施加一个幅值、上升时间、下降时间和频率固定的电压脉衝。施加脉衝的扫描方式可以是幅值固定情况下的电压基扫描，或是电压基固定而让幅值扫描。

在电压基扫描模式下，脉衝的幅值和週期(宽度)固定，而让脉衝的基础电压扫描(图1a)。对应每个基电压，测量相应的体电流并绘製出其随基电压变化的曲线,于如下公式，可以获得介面陷阱密度()随能带弯曲变化的函数关係：

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图1：电荷泵测量技术概述。

公式中，是测量到的电荷泵电流，是基本电子电荷，是面积，是频率，是逆费米能级(inversion Fermi level)和累积费米能级(accumulation Fermi level)的差值。

固定电压基、幅值扫描方法则是让基电压和脉衝频率固定，而让电压幅值进行步进变化(图1b)。所获得的资讯类似于从电压基扫描中撷取出的资讯。这些测量也可以在不同频率下执行，以获得介面陷阱的频率响应特性。

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图2：DUT与4200-SCS和脉衝产生器的连接。

硬体设置

结合吉时利4200-SCS半导体特性测试系统和吉时利3400系列脉衝/模式产生器，可以让电荷泵测量和数据分析变得简单易行。借助简单的C编程经GPIB，在4200-SCS上执行吉时利互动式平台测试软体(KITE)可以同时控制系统内建的讯号源-测量单元(SMU)和外部仪器。请参阅吉时利4200-SCS的参考手册和吉时利应用指南，以获得关于使用4200-SCS和KTE交互软体的指导。图2a示出了在不使用开关阵列的情况下，4200-SCS的某个SMU和3402型脉衝产生器与待测元件(DUT)间的连接关係;在图2b中，配置中包含了一个半导体开关阵列。下面将介绍如何利用吉时利4200-SCS和3400系列脉衝/模式产生器执行电荷泵测量。

吉时利配置程式(KCON)设置

KCON是通过GPIB通讯来控制4200-SCS的内部硬体(SMU和前置放大器)和外部仪器的软体介面，第一步是向KCON输入恰当的脉衝产生器的型号编码(必要时还需输入开关阵列的型号编码)。只需双击4200-SCS桌面上的KCON图标即可存取KCON。接着，从Tools选单中，选中Add external Instruments > Pulse Generator >Keithley 3401或3402 Pulse/Pattern Generator。图3显示出添加了该脉衝产生器后的KCON窗口。如果所採用的脉衝产生器的型号未包含在所支援的型号的列表中，则在KCON中应该将其作为‘通用仪器(GPI)’而非‘脉衝产生器(GPU)’添加。添加脉衝产生器后，KCON可以为脉衝产生器分配一个仪器ID字符串。该ID字符串可以写作PGUx或GPIxI，具体取决于脉衝产生器是以何种方式添加的(脉衝产生器单元或是通用仪器)，x可以是1～4之间的任何一个数字。该ID将作为电荷泵测量的一个输入参数，为KITE软体提供GPIB上的仪器类型及其地址。

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图3：KCON设置窗口。

在KITE中设立一个计画

KITE是通过GPIB来控制内部硬体和外部仪器的主要软体介面。通过一个UTM(用户测试模组)在KITE介面上实施电荷泵测量。

双击4200-SCS桌面的KITE图标，启动KITE介面。从Menu图形条中选择File > New project，并键入计画名称。然后再次点选Menu图形条选择Project > Make new subsite plan并键入一个有效的subsite名称。接下来，点选Menu图形条，选中Project > Make new device plan，并从MOSFET文件夹中选择一种元件。最后，点选Menu图形条，点选Project > Make new User Test Module，输入模组名称(例如，BaseSweep)，并点选OK。双击计画树中的BaseSweep模组，将弹出一个设置窗口。该设置窗口中，在下拉的库列表中选中用户库ChargePumping，并从User Module列表中选中模组BaseSweep。选中该模组后，将弹出一个参数窗口，如图4所示。在列表中，第一个参数是PGUId，即KCON的ID。使用恰当的GPIB地址与脉衝产生器进行通讯。在参数列表中填写恰当的设置参数，如开关连接(如果无开关，则在GatePin、BulkPin、SourcePin和DrainPin等域中填写0)、频率、脉衝幅值和占空比。恰当定义所有的输入参数后，点选Save按钮(小的软磁碟图表)，则做好测试执行準备了。点选Run按钮(绿色的叁角形图表)即可执行测试。一旦测量完毕，其数据可以绘製为图形。图5示出了该图形的两个示例。

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图4：KITE计画窗口。

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图5：数据图形示例。

运算

吉时利4200-SCS的Formulator功能支援运算。为了启动Formulator窗口，点选某个测试设置窗口definition图标中的Formulator按钮。如图6所示的那样输入的运算公式。所运算出的量值，可以用系统的图形绘製功能绘製成图线。

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图6：在Formulator窗口中输入公式。

本文小结

通过电流驱动器，用户无需完成任何编程工作，就可以通过一个吉时利3400系列脉衝/模式产生器(还可以与安捷伦81110A/8111A一起使用)完成电荷泵测量。在内建的Formulator中可以完成简单的数据分析，并用其强大的绘图工具绘製出相应的曲线。