電荷泵技術(shù)概述
電荷泵測(cè)量方法廣泛應(yīng)用于MOSFET元件的介面態(tài)密度測(cè)量。隨著高介電常數(shù)(高)閘極材料的發(fā)展,，已證明電荷泵對(duì)高薄閘極薄膜中電荷陷阱現(xiàn)象的測(cè)量極為有效,。可以採(cǎi)用電荷泵測(cè)量方法來(lái)擷取介面陷阱密度,，閘極漏電流的影響可以通過(guò)以下方法來(lái)解決：即測(cè)量較低頻率上的電荷泵電流并在更高頻率下獲得的測(cè)量結(jié)果中減去這一數(shù)據(jù),。
基本的電荷泵測(cè)量方法需要在測(cè)量底板電流的同時(shí)，向源極,、漏極和基極都接地的電晶體的閘極施加一個(gè)幅值,、上升時(shí)間、下降時(shí)間和頻率固定的電壓脈衝,。施加脈衝的掃描方式可以是幅值固定情況下的電壓基掃描,，或是電壓基固定而讓幅值掃描。
在電壓基掃描模式下,，脈衝的幅值和週期(寬度)固定,，而讓脈衝的基礎(chǔ)電壓掃描(圖1a)。對(duì)應(yīng)每個(gè)基電壓,，測(cè)量相應(yīng)的體電流并繪製出其隨基電壓變化的曲線,。基于如下公式,，可以獲得介面陷阱密度()隨能帶彎曲變化的函數(shù)關(guān)係：
圖1：電荷泵測(cè)量技術(shù)概述,。
公式中，是測(cè)量到的電荷泵電流,，是基本電子電荷,，是面積，是頻率，是逆費(fèi)米能級(jí)(inversion Fermi level)和累積費(fèi)米能級(jí)(accumulation Fermi level)的差值,。
固定電壓基,、幅值掃描方法則是讓基電壓和脈衝頻率固定，而讓電壓幅值進(jìn)行步進(jìn)變化(圖1b),。所獲得的資訊類似于從電壓基掃描中擷取出的資訊,。這些測(cè)量也可以在不同頻率下執(zhí)行，以獲得介面陷阱的頻率響應(yīng)特性,。
圖2：DUT與4200-SCS和脈衝產(chǎn)生器的連接,。
硬體設(shè)置
結(jié)合吉時(shí)利4200-SCS半導(dǎo)體特性測(cè)試系統(tǒng)和吉時(shí)利3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器，可以讓電荷泵測(cè)量和數(shù)據(jù)分析變得簡(jiǎn)單易行,。借助簡(jiǎn)單的C編程經(jīng)GPIB,，在4200-SCS上執(zhí)行吉時(shí)利互動(dòng)式平臺(tái)測(cè)試軟體(KITE)可以同時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)建的訊號(hào)源-測(cè)量單元(SMU)和外部?jī)x器。請(qǐng)參閱吉時(shí)利4200-SCS的參考手冊(cè)和吉時(shí)利應(yīng)用指南,，以獲得關(guān)于使用4200-SCS和KTE交互軟體的指導(dǎo),。圖2a示出了在不使用開(kāi)關(guān)陣列的情況下，4200-SCS的某個(gè)SMU和3402型脈衝產(chǎn)生器與待測(cè)元件(DUT)間的連接關(guān)係;在圖2b中,，配置中包含了一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)陣列,。下面將介紹如何利用吉時(shí)利4200-SCS和3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器執(zhí)行電荷泵測(cè)量。
吉時(shí)利配置程式(KCON)設(shè)置
KCON是通過(guò)GPIB通訊來(lái)控制4200-SCS的內(nèi)部硬體(SMU和前置放大器)和外部?jī)x器的軟體介面,，第一步是向KCON輸入恰當(dāng)?shù)拿}衝產(chǎn)生器的型號(hào)編碼(必要時(shí)還需輸入開(kāi)關(guān)陣列的型號(hào)編碼),。只需雙擊4200-SCS桌面上的KCON圖標(biāo)即可存取KCON。接著,，從Tools選單中,，選中Add external Instruments > Pulse Generator >Keithley 3401或3402 Pulse/Pattern Generator。圖3顯示出添加了該脈衝產(chǎn)生器后的KCON窗口,。如果所採(cǎi)用的脈衝產(chǎn)生器的型號(hào)未包含在所支援的型號(hào)的列表中,，則在KCON中應(yīng)該將其作為‘通用儀器(GPI)’而非‘脈衝產(chǎn)生器(GPU)’添加。添加脈衝產(chǎn)生器后,，KCON可以為脈衝產(chǎn)生器分配一個(gè)儀器ID字符串,。該ID字符串可以寫作PGUx或GPIxI，具體取決于脈衝產(chǎn)生器是以何種方式添加的(脈衝產(chǎn)生器單元或是通用儀器),，x可以是1～4之間的任何一個(gè)數(shù)字,。該ID將作為電荷泵測(cè)量的一個(gè)輸入?yún)?shù)，為KITE軟體提供GPIB上的儀器類型及其地址,。
圖3：KCON設(shè)置窗口,。
在KITE中設(shè)立一個(gè)計(jì)畫
KITE是通過(guò)GPIB來(lái)控制內(nèi)部硬體和外部?jī)x器的主要軟體介面,。通過(guò)一個(gè)UTM(用戶測(cè)試模組)在KITE介面上實(shí)施電荷泵測(cè)量,。
雙擊4200-SCS桌面的KITE圖標(biāo)，啟動(dòng)KITE介面。從Menu圖形條中選擇File > New project,，并鍵入計(jì)畫名稱,。然后再次點(diǎn)選Menu圖形條選擇Project > Make new subsite plan并鍵入一個(gè)有效的subsite名稱。接下來(lái),，點(diǎn)選Menu圖形條,，選中Project > Make new device plan，并從MOSFET文件夾中選擇一種元件,。最后,，點(diǎn)選Menu圖形條，點(diǎn)選Project > Make new User Test Module,，輸入模組名稱(例如,，BaseSweep)，并點(diǎn)選OK,。雙擊計(jì)畫樹中的BaseSweep模組,，將彈出一個(gè)設(shè)置窗口。該設(shè)置窗口中,，在下拉的庫(kù)列表中選中用戶庫(kù)ChargePumping,，并從User Module列表中選中模組BaseSweep。選中該模組后,，將彈出一個(gè)參數(shù)窗口,，如圖4所示。在列表中,，第一個(gè)參數(shù)是PGUId,，即KCON的ID。使用恰當(dāng)?shù)腉PIB地址與脈衝產(chǎn)生器進(jìn)行通訊,。在參數(shù)列表中填寫恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置參數(shù),，如開(kāi)關(guān)連接(如果無(wú)開(kāi)關(guān)，則在GatePin,、BulkPin,、SourcePin和DrainPin等域中填寫0)、頻率,、脈衝幅值和占空比,。恰當(dāng)定義所有的輸入?yún)?shù)后，點(diǎn)選Save按鈕(小的軟磁碟圖表),，則做好測(cè)試執(zhí)行準(zhǔn)備了,。點(diǎn)選Run按鈕(綠色的叁角形圖表)即可執(zhí)行測(cè)試。一旦測(cè)量完畢,，其數(shù)據(jù)可以繪製為圖形,。圖5示出了該圖形的兩個(gè)示例。
圖4：KITE計(jì)畫窗口。
圖5：數(shù)據(jù)圖形示例,。
運(yùn)算
吉時(shí)利4200-SCS的Formulator功能支援運(yùn)算,。為了啟動(dòng)Formulator窗口，點(diǎn)選某個(gè)測(cè)試設(shè)置窗口definition圖標(biāo)中的Formulator按鈕,。如圖6所示的那樣輸入的運(yùn)算公式,。所運(yùn)算出的量值，可以用系統(tǒng)的圖形繪製功能繪製成圖線,。
圖6：在Formulator窗口中輸入公式,。
本文小結(jié)
通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器，用戶無(wú)需完成任何編程工作,，就可以通過(guò)一個(gè)吉時(shí)利3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器(還可以與安捷倫81110A/8111A一起使用)完成電荷泵測(cè)量,。在內(nèi)建的Formulator中可以完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，并用其強(qiáng)大的繪圖工具繪製出相應(yīng)的曲線,。