晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)，包括：為晶體管的柵極提供負向偏置電壓；為晶體管的漏極提供正向偏置電壓和交流信號；獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻；獲取所述輸出電阻與所述交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到所述輸出電阻頻散特性。本發(fā)明的方法及系統(tǒng)可實現(xiàn)對晶體管輸出電阻的頻散特性的測量，并且具有測量簡單且準(zhǔn)確度高的特點，通過本發(fā)明的方法及系統(tǒng)獲得的輸出電阻頻散特性，可以用來評價材料的生長質(zhì)量、監(jiān)測工藝流程、分析器件的物理特性參數(shù)，另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以利用該頻散特性對大信號模型中頻散子電路的輸出電阻相關(guān)水進行修正，以更準(zhǔn)確地建立大信號模型。
【專利說明】晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界上對例如是氮化鎵(GaN)等高電子遷移率晶體管材料的研究還面臨很多瓶頸，嚴重制約了晶體管器件與集成電路的發(fā)展，其外延生長也處于不成熟的階段，生長過程中常會引入大量位錯或者缺陷，在器件的不同材料界面處引入界面態(tài)，并在材料內(nèi)部引入陷阱等缺陷，產(chǎn)生深的陷阱能級，嚴重改變了器件溝道中的載流子產(chǎn)生捕獲和釋放過程，大大影響源漏電流的變化、器件的功率特性以及整個器件的電學(xué)特性。
[0003]器件溝道與襯底間界面處的陷阱效應(yīng)會大大影響器件的電學(xué)特性，使得器件的電流和功率大大降低。由于陷阱所對應(yīng)能級的時間因子大部分在微秒至毫秒之間，因此這些陷阱大部分只能對500kHz以下的交流信號產(chǎn)生響應(yīng)，而不會隨著更高頻率的信號發(fā)生變化，因為陷阱的充放電過程跟不上更高頻率的信號的變化速率，因此通過對氮化鎵等晶體管器件輸出電阻的低頻響應(yīng)曲線分析，尤其是輸出電阻頻率散射特性(簡稱為頻散特性)所表現(xiàn)出的柵延遲以及漏延遲，可以測量并判斷器件中陷阱特性，判斷材料質(zhì)量和器件的優(yōu)劣，進而推斷器件工藝制程的穩(wěn)定度。
[0004]在小信號應(yīng)用時，一個微波射頻電路設(shè)計者通常忽略了頻散效應(yīng)，因為頻散一般發(fā)生的頻段遠低于設(shè)計者所關(guān)注的頻帶。但當(dāng)電路處于大信號激勵下，所用的大信號模型需要對器件直流和射頻特性的仿真都要準(zhǔn)確。所以在大信號模型的建立過程中，需要考慮陷阱效應(yīng)，通過對輸出電阻在低頻下的頻散特性的測量，可以提取出與陷阱效應(yīng)相關(guān)的輸出電阻低頻散射參數(shù)，將其加入到大信號模型的頻散子電路中對模型進行修正，可以更精確地對器件的功率及交調(diào)性能進行仿真。綜上所述，簡易并準(zhǔn)確地測量晶體管器件的輸出電阻頻散特性具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中沒有給出實際測量晶體管輸出電阻頻散特性的問題，提供一種可以測量晶體管器件的輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法，包括:
[0007]為晶體管的柵極提供負向偏置電壓；
[0008]為晶體管的漏極提供正向偏置電壓和交流信號；
[0009]獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻；
[0010]獲取所述輸出電阻與所述交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到所述晶體管輸出電阻頻散特性。
[0011]優(yōu)選的是，所述方法還包括:對所述交流信號進行抗所述正向偏置電壓干擾的處理。
[0012]優(yōu)選的是，所述方法還包括:對所述正向偏置電壓進行隔離所述交流信號的處理。
[0013]優(yōu)選的是，所述方法還包括:所述交流信號的幅值小于等于500毫伏。
[0014]優(yōu)選的是，所述方法還包括:所述交流信號的選定頻率在20Hz至200KHZ之間選擇。
[0015]所述獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻包括:
[0016]獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓；
[0017]利用采樣電阻獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電流；
[0018]根據(jù)所述晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取所述晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
[0019]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種晶體管輸出電阻頻散特性的測量系統(tǒng)，包括:
[0020]第一直流電源模塊，用于為晶體管的柵極提供負向偏置電壓；
[0021]第二直流電源模塊，用于為晶體管的漏極提供正向偏置電壓；
[0022]交流信號輸出模塊，用于為晶體管的漏極提供交流信號；
[0023]輸出電阻測量模塊，用于獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻；以及，
[0024]頻散特性輸出模塊，用于獲取所述輸出電阻與所述交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到所述晶體管輸出電阻頻散特性。
[0025]優(yōu)選的是，所述系統(tǒng)還包括:抗干擾模塊，用于對所述交流信號進行抗所述正向偏置電壓干擾的處理。
[0026]優(yōu)選的是，所述系統(tǒng)還包括:隔離模塊，用于對所述正向偏置電壓進行隔離所述交流信號的處理。
[0027]優(yōu)選的是，所述輸出電阻測量模塊包括:
[0028]第一電壓測量單元，用于獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓；
[0029]第二電壓測量單元，用于利用采樣電阻獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電流；以及，
[0030]輸出電阻計算單元，用于根據(jù)所述晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取所述晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
[0031]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法及系統(tǒng)可實現(xiàn)對晶體管輸出電阻的頻散特性的測量，并且具有測量簡單且準(zhǔn)確度高的特點，通過本發(fā)明的測量方法及系統(tǒng)獲得的輸出電阻頻散特性，可以用來評價材料的生長質(zhì)量、監(jiān)測工藝流程、分析器件的物理特性參數(shù)，另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以利用該頻散特性對大信號模型中頻散子電路的輸出電阻相關(guān)水進行修正，以更準(zhǔn)確地建立大信號模型。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明所述晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法的一種實施方式的流程圖；
[0033]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明所述晶體管輸出電阻頻散特性的測量系統(tǒng)的一種實施方式的方框原理圖；
[0034]圖3示出了圖2所示測量系統(tǒng)的一種具體實施電路；
[0035]圖4示出了利用圖3所示的測量系統(tǒng)測量出的反應(yīng)氮化鎵高電子遷移率晶體管輸出電阻與交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系的曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明的晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法包括如下步驟:
[0038]步驟S1:為晶體管的柵極提供負向偏置電壓。
[0039]步驟S2:為晶體管的漏極提供正向偏置電壓。
[0040]步驟S3:為晶體管的漏極提供交流信號。
[0041]步驟S4:獲取晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
[0042]步驟S5:獲取輸出電阻與交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到晶體管輸出電阻頻散特性，在此可通過改變交流信號的選定頻率，利用步驟S4獲取輸出電阻與交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0043]為了在將交流信號耦合至晶體管的漏極的同時，防止正向偏置電壓的干擾，本發(fā)明的方法還可以對交流信號進行抗正向偏置電壓干擾的處理，在此，可利用電容實現(xiàn)該抗干擾的處理。
[0044]為了避免正向偏置電壓受交流信號影響，本發(fā)明的方法還可包括對正向偏置電壓進行隔離交流信號的處理，在此，可利用電感、光電耦合器等實現(xiàn)該隔離交流信號的處理。
[0045]在此，由于晶體管的非線性特性，上述交流信號的幅值不易過大，優(yōu)選是小于等于500毫伏，特別是在200毫伏至500毫伏之間選擇，例如，在圖3所示的實施例中，該交流信號的幅值選擇為300毫伏。
[0046]由于本發(fā)明的方法主要是為了獲取晶體管輸出電阻的低頻散射特性，因此上述交流信號的選定頻率通常在20Hz至200KHz之間選擇，測量人員可在上述頻率范圍內(nèi)選擇多個選定頻率作為采樣點進行測量，以獲得反應(yīng)輸出電阻與交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系的曲線，即反應(yīng)輸出電阻頻散特性的曲線，采樣點可以包括測量人員根據(jù)實際需求選定的選定頻率及/或按照一定的規(guī)則選定的選定頻率，該規(guī)則可以是等間隔取樣，或者在輸出電阻隨選定頻率的改變迅速變化的頻率段選取較多的采樣點，而在緩慢變化的頻率段選取相對較少的采樣點。
[0047]上述步驟S4中獲取晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻可具體包括如下步驟:
[0048]步驟S41:獲取晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓，例如可通過電壓表測量。
[0049]步驟S42:利用采樣電阻獲取晶體管的漏極與源極之間的漏源電流，即通過直接獲取采樣電阻兩端的電壓，而間接獲得流經(jīng)采樣電阻的電流，而通過將采樣電阻與晶體管的漏極串聯(lián)，即可使漏源電流與流經(jīng)采樣電阻的電流相等。
[0050]步驟S43:根據(jù)晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻，在此，輸出電阻等于漏源電壓除以該漏源電流。
[0051]在此，本發(fā)明的方法特別是用于測量高電子遷移率晶體管輸出電阻的頻散特性，該晶體管例如是氮化鎵晶體管、砷化鎵晶體管、銻化物晶體管等，當(dāng)然本發(fā)明的方法具有通用性，其也適用于測量其他類型晶體管輸出電阻的頻散特性。
[0052]相應(yīng)地，如圖2所示，本發(fā)明的晶體管輸出電阻頻散特性的測量系統(tǒng)包括第一直流電源模塊1、第二直流電源模塊2、交流信號輸出模塊3、輸出電阻測量模塊4和頻散特性輸出模塊5,該第一直流電源模塊I用于為晶體管的柵極提供負向偏置電壓；該第二直流電源模塊2用于為晶體管的漏極提供正向偏置電壓；該交流信號輸出模塊3用于為晶體管的漏極提供交流信號；該輸出電阻測量模塊4用于獲取晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻；該頻散特性輸出模塊5用于獲取所述輸出電阻與交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到輸出電阻頻散特性。
[0053]本發(fā)明的系統(tǒng)還可以包括抗干擾模塊，用于對交流信號進行抗正向偏置電壓干擾的處理。本發(fā)明的系統(tǒng)還可以包括隔離模塊，用于對正向偏置電壓進行隔離交流信號的處理。
[0054]上述輸出電阻測量模塊4可包括第一電壓測量單元、第二電壓測量單元和輸出電阻計算單元，該第一電壓測量單元用于獲取晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓；該第二電壓測量單元用于利用采樣電阻獲取晶體管的漏極與源極之間的漏源電流；該輸出電阻計算單元用于根據(jù)晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
[0055]圖3給出了本發(fā)明的系統(tǒng)的一種測量氮化鎵晶體管輸出電阻頻散特性的具體實施例，在該實施例中，第一直流電壓模塊I的負極與晶體管10的柵極G電連接，正極接地，以為晶體管10的柵極G提供負向偏置電壓；第二直流電壓模塊2的正極可經(jīng)作為隔離模塊的電感8和采樣電阻R與晶體管10的漏極S電連接，負極接地，以為晶體管10的漏極S提供正向偏置電壓；交流信號輸出模塊3可經(jīng)作為抗干擾模塊的電容70和采樣電阻R與晶體管10的漏極S電連接，以為晶體管10的漏極S提供交流信號。例如是電壓表Vds的第一電壓測量單元測量晶體管10的漏源電壓，由于在圖3的實施例中，晶體管10的源極S接地，因此，可以測量晶體管的漏極S對地的電壓；例如是電壓表Vr的第二電壓測量單元測量采樣電阻R兩端的電壓，以獲取晶體管的漏源電流，這樣就可以利用獲得晶體管在交流信號為選定頻率下的輸出電阻。通過使交流信號輸出模塊3改變交流信號的選定頻率，即可獲得如圖4所示的反應(yīng)輸出電阻Rds (Ohm，歐姆)與交流信號的選定頻率f (Hz，赫茲)之間的對應(yīng)關(guān)系的曲線，即反應(yīng)晶體管輸出電阻頻散特性的曲線，在此，可通過在相鄰采用點之間進行線性插值得到連續(xù)的曲線。由圖4所示的曲線可以看出，晶體管輸出電阻在極低選定頻率20Hz下最大，隨著頻率的增加輸出電阻迅速減小，當(dāng)選定頻率大于IOOHz時，輸出電阻減小的速度變緩，當(dāng)選定頻率解決IOOKHz時，輸出電阻略有增加，之后輸出電阻基本不會發(fā)生變化，因為此時陷阱已經(jīng)跟不上高頻信號的變化速率，輸出電阻不會隨著選定頻率的繼續(xù)增加而不斷下降。
[0056]由于例如是氮化鎵的半導(dǎo)體材料的高純度生長條件還在不斷發(fā)展過程中，氮化鎵半導(dǎo)體材料的獨特物理特性使得其界面特性相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體更加復(fù)雜，在材料界面或內(nèi)部都會存在缺陷，表面態(tài)和內(nèi)部缺陷都會導(dǎo)致氮化鎵晶體管器件有很多陷阱存在，引發(fā)柵延遲、漏延遲、電流崩塌、頻率散射等效應(yīng)，嚴重影氮化鎵器件和電路的性能。輸出電阻頻散特性曲線的測量可以用于評價材料的生長質(zhì)量、監(jiān)測工藝流程、分析器件的物理特性參數(shù)。同時包含頻散特性的輸出電阻曲線可以更全面準(zhǔn)確地反應(yīng)器件的輸出電阻特性，用測量提取的包含頻散特性的輸出電阻數(shù)據(jù)可以對大信號模型中頻散子電路的輸出電阻相關(guān)數(shù)據(jù)進行修正，更準(zhǔn)確的建立大信號模型，對器件的非線性特性進行更準(zhǔn)確的仿真，對器件建模工作很有指導(dǎo)意義。
[0057]以上依據(jù)圖式所示的實施例詳細說明了本發(fā)明的構(gòu)造、特征及作用效果，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明不以圖面所示限定實施范圍，凡是依照本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，或修改為等同變化的等效實施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種晶體管輸出電阻頻散特性的測量方法，其特征在于，包括: 為晶體管的柵極提供負向偏置電壓； 為晶體管的漏極提供正向偏置電壓和交流信號； 獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻； 獲取所述輸出電阻與所述交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到所述晶體管輸出電阻頻散特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 對所述交流信號進行抗所述正向偏置電壓干擾的處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 對所述正向偏置電壓進行隔離所述交流信號的處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 所述交流信號的幅值小于等于500毫伏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 所述交流信號的選定頻率在20Hz至200KHz之間選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻包括: 獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓； 利用采樣電阻獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電流； 根據(jù)所述晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取所述晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
7.一種晶體管輸出電阻頻散特性的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 第一直流電源模塊，用于為晶體管的柵極提供負向偏置電壓； 第二直流電源模塊，用于為晶體管的漏極提供正向偏置電壓； 交流信號輸出模塊，用于為晶體管的漏極提供交流信號； 輸出電阻測量模塊，用于獲取晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻；以及，頻散特性輸出模塊，用于獲取所述輸出電阻與所述交流信號的選定頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，以得到所述晶體管輸出電阻頻散特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 抗干擾模塊，用于對所述交流信號進行抗所述正向偏置電壓干擾的處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 隔離模塊，用于對所述正向偏置電壓進行隔離所述交流信號的處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，所述輸出電阻測量模塊包括: 第一電壓測量單元，用于獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電壓； 第二電壓測量單元，用于利用采樣電阻獲取所述晶體管的漏極與源極之間的漏源電流；以及， 輸出電阻計算單元，用于根據(jù)所述晶體管的漏源電壓和漏源電流，獲取所述晶體管在所述交流信號為選定頻率下的輸出電阻。
【文檔編號】G01R31/26GK103913690SQ201410137354
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】龐磊, 陳曉娟, 羅衛(wèi)軍, 袁婷婷 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所