專(zhuān)利名稱(chēng)：脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種半導(dǎo)體器件性能測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及ー種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置及其方法。
背景技術(shù)：
隨著MOS器件的廣泛運(yùn)用，觀察和監(jiān)測(cè)MOSFET偏置溫度不穩(wěn)定性的需求也在逐漸曾加。偏置溫度不穩(wěn)定性指的是MOSFET的閾值電壓在一定偏置和溫度下會(huì)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。通常來(lái)說(shuō)，10%的閾值電壓變化就會(huì)引起邏輯和記憶電路無(wú)法正常啟動(dòng)。因此，測(cè)量閾值電壓的變化具有重要的意義。目前有兩家公司在這ー領(lǐng)域具有相當(dāng)先進(jìn)的技術(shù)，他們分別是吉時(shí)利和安捷倫。 他們制造的該類(lèi)型產(chǎn)品的核心測(cè)量方法都是ー種叫做on-the-fly的間接測(cè)量法。用直流電壓源對(duì)MOSFET的柵極和漏極提供特定的直流電壓，然后通過(guò)安置在漏極的直流電流表讀取漏極電流，最后通過(guò)漏極電流推算出閾值電壓的大小和變化。然而，目前的測(cè)量方法最大缺陷就是I)無(wú)法再縮小所給的柵極直流電壓峰值的持續(xù)時(shí)間。比如，吉時(shí)利2600只能支持200微秒的最小持續(xù)時(shí)間，安捷倫B1500也只能支持100微秒。而且，這兩件儀器的價(jià)格都較昂貴，如安捷倫B1500需要45000美元；2)直流電壓峰值的持續(xù)時(shí)間(周期)是固定值。如果MOSFET的偏置溫度應(yīng)カ時(shí)間為24小時(shí)，短的峰值持續(xù)時(shí)間(如200微秒)，將產(chǎn)生太多的測(cè)試點(diǎn)(如4. 32X108個(gè)測(cè)試點(diǎn))；而長(zhǎng)的峰值持續(xù)時(shí)間(如I秒)，將無(wú)法測(cè)試I秒以?xún)?nèi)的閾值電壓的大小和變化。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于提供一種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，使其能過(guò)在更快的變化脈沖周期下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間偏置溫度應(yīng)カ測(cè)量工作，以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的范圍和精度。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是一種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，它包括計(jì)算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)RS232接ロ分別與可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和ー個(gè)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊的指令對(duì)柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進(jìn)行控制；所述高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸入端連接待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計(jì)算機(jī)控制模塊；所述計(jì)算機(jī)控制模塊發(fā)送確定脈沖信號(hào)特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。對(duì)于上述技術(shù)方案，我們還有進(jìn)ー步的優(yōu)化方案，作為補(bǔ)充，進(jìn)一歩，所述計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所述可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)的波形、周期與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。更進(jìn)一歩，可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)的周期與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系分線(xiàn)性關(guān)系和對(duì)數(shù)關(guān)系兩種。進(jìn)ー步，所述計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有用來(lái)保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號(hào)的按鍵，還設(shè)置有用來(lái)自動(dòng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線(xiàn)的按鍵。進(jìn)ー步，可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊可在同一時(shí)間軸下發(fā)送不同的脈沖信號(hào)；柵極脈沖電壓發(fā)生信號(hào)模塊能夠?qū)γ}沖信號(hào)的波形、周期、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號(hào)。更進(jìn)一歩，漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是I.本發(fā)明在源信號(hào)發(fā)生端采用可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊替換以往測(cè)量中的直流電壓電源，通過(guò)可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊給待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和漏極提供脈沖電壓，使得柵極的脈沖電壓具有更快的峰值變化速度，而在測(cè)量端利用高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊和可變電阻的結(jié)構(gòu)替換了以往測(cè)量過(guò)程的電流表，使得測(cè)量能在變化更快的電壓下進(jìn)行，從而使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確，另外整個(gè)測(cè)量過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)控制模塊接收并保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成繪制，加快了測(cè)試的速度；2.本發(fā)明所提供的測(cè)量裝置制作成本低，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有設(shè)備，可大大節(jié)省測(cè)量成本；3.本發(fā)明具有設(shè)定脈沖信號(hào)周期函數(shù)(偏置溫度應(yīng)カ時(shí)間的線(xiàn)性或?qū)?shù)函數(shù))、峰值以及脈寬三個(gè)變量/函數(shù)的輸入按鈕，具有向可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送按鈕和終止傳送的按鈕，此外還具有接收高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的按鈕以及保存并繪制接收到的數(shù)據(jù)的按鈕，功能全面而且提供多樣選擇，界面合理而且更為人性化。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步描述圖I為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型的電路原理圖；圖3為現(xiàn)有閾值電壓參數(shù)測(cè)量?jī)x器的電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)ー步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)ー步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例本發(fā)明提供了一種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，如

圖1，它包括計(jì)算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)RS232接ロ分別與可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和ー個(gè)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊的指令對(duì)柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進(jìn)行控制；高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸入端連接待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計(jì)算機(jī)控制模塊；計(jì)算機(jī)控制模塊發(fā)送確定脈沖信號(hào)特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所屬可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)的波形、周期與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。所述計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有用來(lái)保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號(hào)的按鍵，還設(shè)置有用來(lái)自動(dòng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線(xiàn)的按鍵。另外可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊可在同一時(shí)間軸下發(fā)送不同的脈沖信號(hào)；柵極脈沖電壓發(fā)生信號(hào)模塊能夠?qū)γ}沖信號(hào)的波形、周期、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號(hào)。漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相 連。圖3所示的是目前的實(shí)時(shí)閾值電壓參數(shù)測(cè)量裝置的電路原理圖，電流表是目前的實(shí)時(shí)閾值電壓測(cè)量中必不可少的原件。在MOSFET的柵極給予輸入電壓的時(shí)候，電流監(jiān)測(cè)漏極的電流，電流表能夠探測(cè)到的電流變化速度不能小于100微妙。由于漏極電壓的變化速度是和柵極電壓的變化速度成正比的，也就是說(shuō)柵極電壓的變化速度也不能過(guò)快，根據(jù)文獻(xiàn)的說(shuō)明，這樣就會(huì)導(dǎo)致短應(yīng)カ時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)不是十分精確。圖2所示的是本發(fā)明研發(fā)的脈沖實(shí)時(shí)閾值電壓測(cè)量裝置的電路圖。在漏極串入了ー個(gè)變值電阻，并在漏極進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集。VDD是外接的脈沖電壓信號(hào)(其周期T是應(yīng)カ時(shí)間t的線(xiàn)性或?qū)?shù)函數(shù))，VDS是數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)并保存的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，R是ー個(gè)變值電阻，Id是漏極電流。通過(guò)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)控制模塊的接收按鈕，數(shù)據(jù)采集模塊會(huì)將VDS的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)控制模塊，計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)公式〈1>計(jì)算并繪制Id隨應(yīng)カ時(shí)間t變化的曲線(xiàn)。Id= (Vdd-Vds)/R <1>從上述漏極電流推導(dǎo)出閾值電壓的過(guò)程如下給MOSFET的漏極加上如圖所示的電壓，源極接地，井向柵極提供如圖所示的脈沖電壓VG (該脈沖的周期與VDD相同，電壓信號(hào)VG有峰值Vg+DV、中間值應(yīng)力電壓Vg和谷值Vg-DV)。這樣在MOSFET的漏極監(jiān)測(cè)電流信號(hào)VDS，這樣每一組脈沖信號(hào)就可以得到三個(gè)漏極電流的值[峰值電流Id(Vg+DV)、中間值電流Id(Vg)和谷值電流Id (Vg-DV)]。經(jīng)過(guò)η組后，得到η組Id的值，能夠繪制出Id與應(yīng)カ時(shí)間t的關(guān)系曲線(xiàn)圖，再通過(guò)公式計(jì)算出閾值電壓Vt與應(yīng)カ時(shí)間t的曲線(xiàn)圖。從漏極電流推導(dǎo)到閾值電壓需要如下的步驟。一種如圖所示的柵極電壓，土DV是ー種電壓微擾，能夠干擾柵極應(yīng)カ電壓Vg。在提供如圖的柵極電壓和漏極電壓后，MOSFET會(huì)產(chǎn)生第η組跨導(dǎo)gm(n)gm (η) = [Id (Vg+DV) -Id (Vg-DV) ] /2DV<2>然后，取每三組漏極電流中對(duì)應(yīng)位置的漏極電流數(shù)據(jù)來(lái)取差值Δ Id (n) =Id (n)-Id (n-1) <3>[0036]根據(jù)〈2X3〉，可以得到Δ Vt (η) =- Δ Id (n) /gm (η) <3>具體工作流程如圖4所示，步驟流程包括步驟ー將計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)RS232接ロ與可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊連接，并且將可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊的輸出端以及高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端分別按圖一與MOSFET相連接；步驟ニ通過(guò)計(jì)算機(jī)控制模塊里的用戶(hù)界面，初始化各個(gè)模塊，井向脈沖信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送一組自檢信號(hào)，在確定一切都正常的情況下，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；步驟三據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的條件設(shè)定脈沖信號(hào)的各個(gè)參數(shù)值和周期函數(shù)，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕?？沙炭囟喙δ苄盘?hào)發(fā)生模塊接收到來(lái)自計(jì)算機(jī)控制模塊的命令，并按其產(chǎn)生出所需的 脈沖電壓信號(hào)輸出給MOSFET的柵極。計(jì)算機(jī)顯示VDD-t關(guān)系曲線(xiàn)和VG-t關(guān)系曲線(xiàn)；步驟四高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊在MOSFET的漏極端監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)控制模模塊，計(jì)算機(jī)顯示VDS-t關(guān)系曲線(xiàn)；步驟五點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)控制模塊的計(jì)算按鈕，計(jì)算機(jī)控制模塊能夠通過(guò)內(nèi)置的公式計(jì)算出漏極電流的變化曲線(xiàn)(Id_t關(guān)系曲線(xiàn))，進(jìn)ー步從漏極電流的數(shù)據(jù)推出閾值電壓的變化曲線(xiàn)(vt-t關(guān)系曲線(xiàn))。上述實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，它包括計(jì)算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)RS232接ロ分別與可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接； 可程控多功能脈沖信號(hào)發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和ー個(gè)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)控制模塊的指令對(duì)柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進(jìn)行控制； 所述高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸入端連接待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計(jì)算機(jī)控制模塊； 所述計(jì)算機(jī)控制模塊發(fā)送確定脈沖信號(hào)特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所述可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)的波形、周期與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)的周期與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系分線(xiàn)性關(guān)系和對(duì)數(shù)關(guān)系兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)置有用來(lái)保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號(hào)的按鍵，還設(shè)置有用來(lái)自動(dòng)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線(xiàn)的按鍵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊可在同一時(shí)間軸下發(fā)送不同的脈沖信號(hào)；柵極脈沖電壓發(fā)生信號(hào)模塊能夠?qū)γ}沖信號(hào)的波形、周期、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種脈沖實(shí)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置，在源信號(hào)發(fā)生端采用可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊替換以往測(cè)量中的直流電壓電源，通過(guò)可程控多功能信號(hào)發(fā)生模塊給待測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和漏極提供脈沖電壓，使得柵極的脈沖電壓具有更快的峰值變化速度，而在測(cè)量端利用高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊和可變電阻的結(jié)構(gòu)替換了以往測(cè)量過(guò)程的電流表，使得測(cè)量能在變化更快的電壓下進(jìn)行，從而使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確，另外整個(gè)測(cè)量過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)控制模塊接收并保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成繪制，加快了測(cè)試的速度。
文檔編號(hào)G01R31/26GK202661592SQ20112053604
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者趙策洲, 黃鼎, 魏小莽 申請(qǐng)人:西交利物浦大學(xué), 西安交通大學(xué)蘇州研究院