การวิเคราะห์คุณลักษณะของทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโดยใช้สอง SMU

บทนำ

เอกสารนี้อธิบายถึงขั้นตอนการทดสอบและการวัดการวิเคราะห์คุณลักษณะของทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโดยใช้เครื่องวัด ซีรีส์ SMU4000 อุปกรณ์เสริม และซอฟต์แวร์จาก Aim-TTi

การวิเคราะห์คุณลักษณะของส่วนประกอบสามขา (เช่น ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า) ต้องใช้ช่องเอาต์พุต SMU สองช่อง ช่องหนึ่งเพื่อกระตุ้นเกตของ FET และให้อีกช่องหนึ่งเป็นแรงดันเดรน-ซอร์ส (Vd) ซึ่งสามารถดำเนินการวัดกระแสได้

แม้เครื่องวัด ซีรีส์ SMU4000 มีเอาต์พุตเดี่ยว แต่ก็สามารถกลายเป็น SMU สองช่องที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ด้วยการเพิ่ม SMU ที่สองโดยเชื่อมต่อผ่านเทอร์มินอล DIO เพียงเพิ่ม SMU อีกเครื่องอย่างเดียวลงในการตั้งค่าการทดสอบอาจส่งผลให้การทดสอบล่าช้าและยุ่งยาก ดังนั้นจึงมีอุปกรณ์เสริมดังต่อไปนี้เพื่อทำให้การทดสอบประเภทนี้ติดตั้งและดำเนินการได้อย่างง่ายดายและรวดเร็ว:

การลิงก์สอง SMU ผ่านเทอร์มินอล DIO ช่วยให้สามารถดำเนินการพร้อมกันผ่านระบบ Handshake Triggering ก่อให้เกิด SMU สองช่องที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์

โดยอาศัยอุปกรณ์เสริมอะแดปเตอร์ 'ลิงก์ SMU' เพื่อให้ 'ลิงก์' นี้ใช้งานได้ง่ายและสะดวกยิ่งขึ้น อะแดปเตอร์ลิงก์จะเชื่อมต่อกับพอร์ตเทอร์มินอล DIO ทั้งสองเพื่อซิงโครไนซ์ SMU ทั้งสองเข้าด้วยกัน โดยไม่ต้องเดินสายเทอร์มินอล DIO แต่ละสายแยกกัน

กระบวนการทั้งหมดสามารถดำเนินการได้ง่ายขึ้นามากหากใช้ซอฟต์แวร์พีซี 'Test Bridge SMU' ฟรี ซอฟต์แวร์นี้ช่วยให้ควบคุมเครื่องวัดทั้งสองได้อย่างสมบูรณ์ และมอบฟีเจอร์สร้างกราฟที่ใช้งานง่ายและมีประสิทธิภาพสำหรับการพล็อตเส้นโค้ง I/V ด้วยข้อมูลการวัดที่ได้จาก SMU ทั้งสอง

วิธีใช้อะแดปเตอร์ลิงก์

อะแดปเตอร์ลิงก์ SMU นี้ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อสอง SMU จาก Aim-TTi เข้าด้วยกันผ่านพอร์ตเทอร์มินอล DIO ที่ด้านหลังแผงควบคุม

รูปที่ 1: สอง SMU และอะแดปเตอร์ลิงก์จาก Aim-TTi เชื่อมต่อกันผ่านเทอร์มินอล DIO

นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นตัวขยาย DIO สำหรับเครื่องวัดหนึ่งหรือสองเครื่อง ทำให้ไม่ต้องเดินสายเทอร์มินอล DIO แต่ละสายแยกกัน สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้ลิงก์เป็นตัวขยาย DIO โปรดดูที่ 'คู่มือการใช้งานอะแดปเตอร์ลิงก์ SMU'

รูปที่ 2: อะแดปเตอร์ลิงก์ SMU จาก Aim-TTi

SMU สองช่องที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์สามารถสร้างได้จากสอง SMU ผ่านระบบ Handshake Triggering โดยใช้อะแดปเตอร์ลิงก์เพื่อเชื่อมต่อสายทริกเกอร์ DIO

เมื่อใช้อะแดปเตอร์ลิงก์เพื่อเชื่อมต่อสอง SMU อะแดปเตอร์จะเชื่อมต่อภายใน 'ทริกเกอร์เข้า' ของ SMU หนึ่งกับ 'ทริกเกอร์ออก' ของอีกเครื่อง 'ทริกเกอร์ออก' จะถูกตั้งค่าเมื่อการวัดทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับระดับ/รูปร่างเสร็จสิ้น

การผสานระหว่าง 'ทริกเกอร์เข้า' และ 'ทริกเกอร์ออก' ช่วยให้ Handshaking เครื่องวัดหลายชิ้นโดยไม่ต้องเดินสายเพิ่มเติม

สำหรับการซิงโครไนซ์เต็มรูปแบบของ SMU ทั้งสอง ให้พิจารณาการตั้งค่าดังต่อไปนี้ด้วย 'การตั้งค่าด้วยตนเอง' ของ SMU:

• หากต้องการเริ่มต้นการทดสอบ SMU ทั้งสอง ให้ใช้ 'ดำเนินการ'
• DIO ทั้งหมดต้องตั้งค่าเป็นแอคทีฟสูงหรือแอคทีฟต่ำบนเครื่องวัดทั้งสอง
• CNFG > อินเทอร์เฟซ [ระบบ] > พินแอคชัน [DIO]
• ทริกเกอร์ (ระดับหรือรูปร่างใด) ต้องตั้งค่าบนเครื่องวัดทั้งสอง โดยเลือกรูปร่างอื่นที่ไม่ใช่คงที่เพื่อตั้งค่าทริกเกอร์
• CNFG > การตั้งค่าด้วยตนเอง [การดำเนินการวัดแหล่งจ่าย] > ทริกเกอร์ [เวลา]
• หากต้องการให้ผลลัพธ์จากเครื่องวัดทั้งสองพล็อตบนกราฟเดียว จำนวนรวมของการวัดบน SMU ทั้งสองจะต้องตรงกัน
• เพื่อรักษาการซิงโครไนซ์ ให้ตั้งค่าจำนวนระดับ/รูปร่างที่เท่ากันบน SMU ทั้งสอง

รูปที่ 3: ตัวอย่างการตั้งค่า - วิธีใช้ระดับทริกเกอร์เพื่อซิงโครไนซ์สอง SMU

เวลาทำงานที่ทริกเกอร์เข้า/ทริกเกอร์ออกตอบสนองโดยทั่วไปจะใช้เวลา:

รูปที่ 4: ทริกเกอร์ออก/เวลาทำงาน

การตั้งค่าการทดสอบ

รูปที่ 5: ตัวอย่างการตั้งค่าการทดสอบ FET โดยใช้สอง SMU และอะแดปเตอร์ลิงก์จาก Aim-TTi

อุปกรณ์ที่จำเป็น

• สอง SMU จาก Aim-TTi
• อะแดปเตอร์ลิงก์ SMU จาก Aim-TTi (พร้อมสายริบบิ้น)
• สายเคเบิลและคลิปทดสอบ อย่างน้อยสองรายการต่อ SMU จำเป็นต้องใช้สายเคเบิลเพิ่มเติมสำหรับการวัด 4 สายหรือใช้ 2 สายนิรภัย
• FET สำหรับการวิเคราะห์คุณลักษณะ

แนวทางการทดสอบการวิเคราะห์คุณลักษณะ

ในการดำเนินการวัดการวิเคราะห์คุณลักษณะ IV ของทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าต้องใช้ SMU หนึ่งเครื่องเพื่อกระตุ้นเกตของ FET ให้เป็นแรงดันเกต-ซอร์ส (Vg) ในขณะที่อีก SMU หนึ่งให้เป็นแรงดันเดรน-ซอร์ส (Vd) ซึ่งสามารถดำเนินการวัดกระแสได้

แรงดันเกต-ซอร์สครอบคลุมตั้งแต่แรงดันต้นทางไปยังแรงดันปลายทางในช่วงแรงดันแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งจะดำเนินการวัดกระแสเดรนในแต่ละช่วงดังกล่าว แรงดันเกตสามารถพล็อตเทียบกับกระแสเดรนเป็นเส้นโค้ง IV จากนั้นทำซ้ำที่แรงดันเดรน-ซอร์สที่แตกต่างกัน

FET มีความแตกต่างกันมากมาย ซึ่งล้วนมีทั้งรูปแบบและขนาดที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงไม่มีการกำหนดค่าการตั้งค่าแบบใดที่เหมาะกับทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ ระดับและขีดจำกัดที่ตั้งไว้ในเอกสารนี้จึงเจาะจงพิเศษเฉพาะอุปกรณ์ที่ทดสอบ อย่างไรก็ตาม ยังมีการตั้งค่าหลักที่จำเป็นซึ่งทำให้การทดสอบซิงโครไนซ์ทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้

ตัวอย่างการตั้งค่า

รูปที่ 6: ตัวอย่างตารางการตั้งค่า [การตั้งค่าแรงดันและกระแสเฉพาะ FET]

ขั้นตอนแรกและสำคัญที่สุดคือการตั้งค่า 'ทริกเกอร์' ภายใต้การตั้งค่าด้วยตนเอง โดยตั้งค่าเป็น 'ระดับ' ซึ่งจะควบคุมสถานะของทริกเกอร์ส่วนกลางเป็นหลัก การตั้งค่าเป็น 'ระดับ' หมายความว่าจำเป็นต้องมีทริกเกอร์อินพุตส่วนกลางก่อนที่จะตั้งค่าระดับถัดไป เมื่อการวัดระดับที่ตั้งไว้ทั้งหมดเสร็จสิ้น ทริกเกอร์เอาต์พุตส่วนกลางจะถูกตั้งค่า หากไม่ดำเนินการดังกล่าว การซิงโครไนซ์ระหว่าง Handshaking กับแหล่งจ่ายจะไม่เกิดขึ้น

เพื่อให้ SMU ทั้งสองยังคงซิงโครไนซ์อยู่ แหล่งจ่ายทั้งสองต้องมีจำนวนระดับเท่ากันเพื่อให้แน่ใจว่ามีการวัดกระแสเดรนสำหรับแต่ละช่วงแรงดันเกต ซึ่งหมายความว่าระดับเริ่มต้นและสิ้นสุดจะยังคงเหมือนเดิมสำหรับ Vdที่จัดหา SMU (เช่น แรงดัน Vd คงที่สำหรับการทดสอบทั้งหมด และยังคงมีการวัดทริกเกอร์ในแต่ละระดับช่วง)

สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ควรตั้งค่าการวัดเป็นหนึ่ง เพื่อให้มั่นใจว่าในการวัดแรงดันที่ระดับเกตแต่ละครั้งจะวัดกระแสเดรนเพียงครั้งเดียว

DIO ต้องตั้งค่าเป็น 'แอคทีฟสูง' หรือ 'แอคทีฟต่ำ' บนเครื่องวัดทั้งสอง

ดำเนินการทดสอบ

เมื่อการตั้งค่าการทดสอบและการกำหนดค่าเสร็จสิ้น จะสามารถดำเนินการวิเคราะห์คุณลักษณะ IV ได้

รูปที่ 7: ดำเนินการการตั้งค่าการทดสอบ FET

หากต้องการดำเนินการทดสอบ ให้เปิดใช้งาน SMU 1 (Vg) รอการวัดค่าครั้งแรก จากนั้นเปิดใช้งาน SMU 2 (Vd) จากนั้น SMU ทั้งสองจะทำการทดสอบและซิงโครไนซ์เข้าด้วยกันผ่านลิงก์ SMU

เมื่อการทดสอบเสร็จสิ้น ผลลัพธ์จาก SMU แต่ละรายการสามารถบันทึกลงแฟลชไดรฟ์ USB หรือส่งออกระยะไกลไปยังพีซีเพื่อรวมผลลัพธ์

รูปที่ 8: ผลลัพธ์การทดสอบ FET คือเส้นโค้ง IV ที่ได้จาก Test Bridge SMU จาก Aim-TTi

นี่คือตัวอย่างการวิเคราะห์คุณลักษณะของ FET ด้วยเส้นโค้ง I/V หนึ่งเส้นที่แรงดันเดรน-ซอร์สคงที่เพียงครั้งเดียว อย่างไรก็ตาม การทดสอบสามารถทำซ้ำได้ โดยเปลี่ยนแรงดันครอบคลุม Vd ของ SMU 2 เพื่อสร้างชุดผลลัพธ์ที่แรงดันเดรน-ซอร์สแตกต่างกัน

ซึ่งสามารถดำเนินการทดสอบเดี่ยวหรือรวมตามลำดับการทดสอบได้ โดยนำเข้าการตั้งค่าการทดสอบหลายรายการเข้าสู่โหมดลำดับ
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตั้งค่าลำดับการทดสอบ โปรดดูที่ 'คู่มือการใช้งานซีรีส์ SMU4000'

เมื่อดำเนินการการทดสอบประเภทนี้ การวัด SMU 1 ครั้งแรกและการวัด SMU 2 ครั้งล่าสุดอาจ 'คลาดเคลื่อน' ขึ้นอยู่กับแต่ละช่วงหรือการตั้งค่า ซึ่งอาจได้ผลลัพธ์ที่คล้ายกันดังนี้:

รูปที่ 9: ผลลัพธ์การทดสอบ FET คือเส้นโค้ง IV ที่ได้จาก Test Bridge SMU จาก Aim-TTI

ผลลัพธ์การวัดครั้งแรกและครั้งล่าสุดเกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นของกระบวนการ Handshaking ผลลัพธ์การทดสอบ FET คือเส้นโค้ง IV ที่ได้จากโซลูชัน Test Bridge SMU จาก Aim-TTi ซึ่งช่วยลดผลกระทบนี้:

รูปที่ 10: กระบวนการ Handshaking โดยใช้สอง SMU และอะแดปเตอร์ลิงก์จาก Aim-TTi

เพิ่มจุดอีกหนึ่งจุดในการตั้งค่า SMU 1 ช่วยให้วัด SMU 2 ครั้งสุดท้ายก่อนที่ช่วง SMU 1 จะสิ้นสุด

เพิ่มจำนวนจุดรวมเพื่อชดเชยผลลัพธ์เหล่านี้ เช่น หากต้องการการวัด 100 รายการ ให้เลือก 101 จุด ผลลัพธ์การวัดสามารถส่งออก และลบการวัดที่ไม่ต้องการออกได้ตามต้องการ

ตั้งค่า 'การควบคุมการวัด' เป็นระดับคงที่ ระดับที่วัดล่าสุดจะถูกบันทึกโดยที่เอาต์พุตของ SMU 1 ยังคงทำงานอยู่ เอาต์พุตของ SMU 1 จะต้องปิดการใช้งานด้วยตนเองเท่านั้น

วิธีใช้ Test Bridge SMU

กระบวนการทั้งหมดของการวิเคราะห์คุณลักษณะของ FET โดยใช้สอง SMU สามารถดำเนินการได้ง่ายและเร็วกว่ามากหากใช้ซอฟต์แวร์พีซี 'Test Bridge SMU' ฟรี แพ็คเกจนี้สามารถดาวน์โหลดได้ฟรีจาก: www.aimtti.com/support ซอฟต์แวร์นี้ช่วยให้ควบคุมเครื่องวัดทั้งสองได้อย่างสมบูรณ์ และมอบฟีเจอร์สร้างกราฟที่ใช้งานง่ายแต่มีประสิทธิภาพสำหรับการพล็อตเส้นโค้ง IV ด้วยข้อมูลการวัดที่ได้จาก SMU ทั้งสอง

ฟีเจอร์การตั้งค่า Test Bridge SMU

รูปที่ 11: การตั้งค่า Test Bridge SMU จาก Aim-TTi

เมื่อเริ่มต้นการเชื่อมต่อ SMU แต่ละเครื่องจะได้รับชื่อเพื่อความสะดวกในการจัดระเบียบ ตัวอย่างเช่น 'แรงดันเกต' และ 'กระแสเดรน' จากนั้นชื่อนี้จะลิงก์กับผลลัพธ์ที่ส่งออกทั้งหมดจากเครื่องวัดดังกล่าว ช่วยจัดระเบียบผลลัพธ์ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสำหรับการวิเคราะห์

เมื่อจัดระเบียบแล้ว การตั้งค่าสำหรับแต่ละ SMU สามารถแสดงอยู่บนหน้าจอเดียวกันได้ ซึ่งช่วยแสดงและแก้ไขการตั้งค่าทั้งหมดสำหรับแต่ละเครื่องวัดได้

จากหน้าต่างนี้ การตั้งค่ายังสามารถบันทึกและโหลดจาก SMU หนึ่งไปยังอีก SMU ได้ ช่วยให้เรียกใช้การตั้งค่าที่เหมือนกันได้ในคราวเดียวโดยไม่จำเป็นต้องกำหนดค่าเพิ่มเติม

ฟีเจอร์ลำดับ Test Bridge SMU

Test Bridge ช่วยสร้างลำดับได้ในที่เดียว ตรงข้ามกับหลายหน้าจอที่แผงควบคุมด้านหน้า เพียงเปลี่ยนโหมดเป็นลำดับโดยใช้ช่องดรอปดาวน์ 'โหมด' เพื่อเปิดใช้งานตัวแก้ไขโหมดลำดับ

รูปที่ 12: การตั้งค่าลำดับ Test Bridge SMU จาก Aim-TTi

เมื่อเพิ่มช่วงลงในลำดับแล้ว สามารถตั้งค่าโดยตรงจากหน้าต่างนี้ด้วยวิธีเดียวกับที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ โดยใช้ตัวขยายด้านล่างช่วง หรือโหลดจากไฟล์ภายนอก ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มที่เรียบง่ายเหมาะสำหรับการตั้งค่าเดิมเพื่อทำซ้ำที่แรงดันเดรน-ซอร์สที่แตกต่างกัน

ลำดับสามารถเพิ่มได้สูงสุด 25 ช่วง แต่ละช่วงของลำดับสามารถตั้งชื่อและจัดลำดับใหม่ได้ตามต้องการ

เมื่อการทดสอบเสร็จสิ้น หน้าต่างป๊อปอัปจะปรากฏขึ้นพร้อมกับตัวเลือกบันทึก/วิเคราะห์ข้อมูล

การวิเคราะห์ผลลัพธ์ด้วย Test Bridge

Test Bridge มีฟีเจอร์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อลดความซับซ้อนในการแยกและวิเคราะห์ผลลัพธ์จาก SMU หนึ่งหรือสองเครื่อง

หลังจากดำเนินการการทดสอบ Test Bridge จะแยกผลลัพธ์จาก SMU และโหลดลงในแท็บ 'ผลลัพธ์' (หากเลือก 'วิเคราะห์ข้อมูล' ในหน้าต่างป๊อปอัป)

รูปที่ 13: การวิเคราะห์ผลลัพธ์ Test Bridge SMU จาก Aim-TTi

เมื่อดำเนินการวิเคราะห์คุณลักษณะของ FET Test Bridge จะพล็อตผลลัพธ์แรงดันเกตจาก SMU 1 เทียบกับผลลัพธ์กระแสเดรนของ SMU 2 เป็นเส้นโค้ง IV บนกราฟ โดยใช้ฟีเจอร์ 'สองชุดข้อมูล'

ข้อมูลที่เลือกจะแสดงบนกราฟซึ่งส่งออกไปยังไฟล์ได้โดยตรง สร้างชุดผลลัพธ์ใหม่ที่กระชับจากการทดสอบสองเครื่อง ซึ่งสามารถวิเคราะห์เพิ่มเติมด้วยโปรแกรมภายนอกได้หากจำเป็น นอกจากนี้ กราฟยังสามารถบันทึกเป็นไฟล์ภาพได้โดยตรง ดังแสดงในรูปที่ 8 และ 9

รูปที่ 14: กราฟ IV Test Bridge SMU จาก Aim-TTi โดยใช้สองชุดข้อมูล

หากผลลัพธ์เป็นส่วนหนึ่งของลำดับ Test Bridge มีฟีเจอร์ที่เรียกว่า 'การจัดกลุ่ม’ การจัดกลุ่มออกแบบมาเพื่อใช้กับข้อมูลการวัดที่รวบรวมจาก SMU เมื่ออยู่ในโหมดลำดับ ซึ่งข้อมูลการวัดที่บันทึกไว้ต้องมีช่วงและ/หรือการทำซ้ำเพื่อให้การจัดกลุ่มทำงาน แต่ละช่วงในชุดข้อมูลจะปรากฏเป็นชุดข้อมูลใหม่บนแกน X

การจัดกลุ่มยังช่วยแยกชุดข้อมูลเมื่อช่วงซ้ำหรือเปลี่ยนแปลงได้ รูปที่ 15 แสดงแต่ละช่วงและการทำซ้ำภายใต้ชุดข้อมูลที่ปรากฏเป็นชุดใหม่บนแกน X นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันการซูมและการแพนขั้นสูงเพื่อวิเคราะห์ผลลัพธ์เพิ่มเติม ควบคู่ไปกับฟีเจอร์อื่น ๆ อีกมากมาย สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่ 'คู่มือการใช้งาน Test Bridge SMU’

รูปที่ 15: กราฟ I/V Test Bridge SMU จาก Aim-TTi โดยใช้สองชุดข้อมูลลำดับ