脈沖式電流-電壓(I-V)測試正在成為評估半導(dǎo)體器件性能和可靠性的極佳方法。這種測量方法具有較高的性價比，并可避免自加熱和瞬時俘獲電荷等可能導(dǎo)致錯誤測試結(jié)果的負(fù)面效應(yīng)，還可以為改進(jìn)的計算機(jī)輔助工程(CAE)軟件模型提供精確的器件數(shù)據(jù)。
脈沖式I-V測試方法需要用一個脈沖源去激勵晶體管或被測器件(DUT)，然后對器件進(jìn)行脈沖測量。由于射頻晶體管主要用于非線性響應(yīng)很常見的應(yīng)用，如開關(guān)和放大器，因此大信號分析通常是脈沖式I-V測試的目標(biāo)。共有兩種主要的測試方法，即脈沖式I-V掃描和瞬態(tài)(單脈沖)測試(圖1)。通過使用雙通道脈沖源/測量系統(tǒng)，這種測試可以非常簡單，并且極具性價比。
脈沖I-V測試技術(shù)表征射頻器件" border="0" height="200" onclick="javascript:window.open(this.src);" onload="return imgzoom(this,550)" src="http://www.ed-china.com/ARTICLE_IMAGES/200903/20090324_TM_DT_TS_01_F1.GIF" style="cursor: pointer" width="350" />
脈沖式I-V測量掃描方法產(chǎn)生的結(jié)果與大家熟悉的直流測試非常相似，如顯示在不同偏置條件下漏極電壓VD和漏極電流ID的行為曲線。這意味著供給柵極和漏極電壓的脈沖底部是非零值，即所謂的工作點(diǎn)或靜態(tài)(q)點(diǎn)。這種測試技術(shù)會對DUT施加低占空比的脈沖(占空比通常小于1%)，以避免自加熱和載流子俘獲效應(yīng)。如圖1中的左手邊所示的那樣，曲線上的每個點(diǎn)都是在脈沖穩(wěn)定或平坦期間對DUT進(jìn)行脈沖測量的結(jié)果。在實(shí)際操作中，會對許多脈沖測量結(jié)果進(jìn)行平均以提高總的測量結(jié)果質(zhì)量。
第二種脈沖式I-V測試是瞬態(tài)或單脈沖測試(見圖1的右手邊)。在這種情況下，測試結(jié)果將呈現(xiàn)為一種測量脈沖視圖或多個脈沖的平均。被測信號被繪制為相對于時間的DUT電壓或電流曲線，表明了任何隨時間推移而發(fā)生的變化，比如自加熱或電荷俘獲的開始。
寬范圍的脈沖寬度對于脈沖式I-V測試來說是很有用的，具體取決于DUT或材料類型和測試參數(shù)。針對毫秒級的脈沖寬度，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的源測量單元(SMU)。不過更短的脈沖(毫秒至納秒數(shù)量級)對避免自加熱和電荷俘獲效應(yīng)來說一般更加有效。因此，射頻晶體管的短脈沖脈沖式I-V測試一般可以用來創(chuàng)建更有用的模型。
用于描述射頻晶體管特征的一種非常管用的二分法是區(qū)別小信號和大信號測試之間的差異。小信號(S參數(shù))數(shù)據(jù)對精確表述線性器件非常有用，比如電纜、濾波器、連接器和耦合器等，也就是符合麥克斯韋爾方程的器件，這些器件可以產(chǎn)生隨時間和頻率的線性響應(yīng)。這意味著S參數(shù)提取要求線性響應(yīng)反饋建模過程。相反，射頻晶體管主要用于非線性響應(yīng)很常見的應(yīng)用，因此大信號分析對于評估處于實(shí)際狀態(tài)的器件最有用。
執(zhí)行大信號分析有許多種方法，包括使用大信號矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、非50Ω測量以及脈沖式I-V測試。大信號網(wǎng)絡(luò)分析可以將非常適合小信號測量的方法和儀器拓展到較少歷史和文檔的大信號領(lǐng)域。大多數(shù)人認(rèn)為這種方法的理論基礎(chǔ)仍處于發(fā)展過程中，目前的用戶群相對比較小。另外，使用硬件創(chuàng)建和控制所需的大信號仍面臨艱巨的挑戰(zhàn)。
有兩種常見的方法可用于測試非50Ω環(huán)境中的射頻晶體管。一種是負(fù)載拉動方法，這種方法使用人工或可編程的阻抗調(diào)整器改變晶體管(或其它有源器件)輸出端的阻抗，然后測量各種性能參數(shù)，如增益、壓縮、飽和功率、效率以及在這些不斷變化的阻抗條件下的線性度。輸出負(fù)載在斯密斯圖的多個區(qū)域中變化，以取得對器件行為的全面理解。第二種方法是源拉動方法，這種方法將改變從晶體管輸入端看進(jìn)去的阻抗，同時測量包括信噪比(SNR)在內(nèi)的各種目標(biāo)參數(shù)。
脈沖式I-V測試也允許使用大信號，從理論基礎(chǔ)上講相當(dāng)直接。脈沖測試的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用來自直流建模和分析的擴(kuò)展知識庫。另外，它也能避免DUT中的自加熱和電荷俘獲效應(yīng)。一般來說這三種不同的大信號分析方法之間不存在競爭關(guān)系，而且經(jīng)常會使用多種方法來表征DUT的大信號行為。
脈沖式I-V測試在測試技術(shù)和儀器功能方面具有一些特定的要求，包括：
從非零底部或非零值(即偏置點(diǎn)/靜態(tài)點(diǎn)/直流偏移)產(chǎn)出脈沖；
同時對柵極和漏極施加偏置電壓脈沖；
采用小型化測試結(jié)構(gòu)或器件，并且功率要比大功率射頻晶體管的典型工作點(diǎn)低；
使用電流敏感電阻和軟件例程進(jìn)行負(fù)載線補(bǔ)償；
應(yīng)用軟件例程進(jìn)行電纜和其它互連的補(bǔ)償；
采用合適的工具解決系統(tǒng)和器件的振蕩問題。
幸運(yùn)的是，已有商用化儀器可提供高效脈沖式I-V器件測試所需的所有性能。
圖2顯示了基于脈沖式I-V掃描的非零偏置點(diǎn)(右手邊的紅線)，也就是所謂的靜態(tài)點(diǎn)或q點(diǎn)。用于器件柵極和漏極的非零值將形成圖2左手邊以紅色“X”標(biāo)示的VD-ID圖中的一個點(diǎn)。作為非零底部的脈沖波形在圖2的兩邊以紅色特征表示。
在I-V掃描期間脈沖高度會變化，如圖2的右部所示。測量在脈沖中間進(jìn)行，詳見右圖上的黑色箭頭所示。圖2的左手邊還顯示了測量過程，其中黑色箭頭指向測量，并且遠(yuǎn)離q點(diǎn)。這表示器件在每兩次測量期間會返回到q點(diǎn)狀態(tài)。
圖3描述了一個耗盡模式晶體管測試中的脈沖式I-V掃描。耗盡模式晶體管正常在柵極偏置為0V時導(dǎo)通，在柵極施加負(fù)電壓時關(guān)斷。耗盡模式晶體管的脈沖式I-V測試要求負(fù)的VG偏置點(diǎn)以便部分或完全導(dǎo)通DUT。在圖3中，通過使用小電壓VG和VD使器件部分導(dǎo)通。VG掃描從負(fù)電壓開始，并掃描到稍高于0V。電壓VD從0V掃描到27V。本例還顯示了用于柵極的負(fù)偏置點(diǎn)(q點(diǎn))和用于漏極的正q點(diǎn)。包含偏置點(diǎn)(直流偏移)在內(nèi)的脈沖波形由脈沖儀器提供。
脈沖式I-V測試要求儀器具有雙通道能力以實(shí)現(xiàn)全面的q點(diǎn)測試，如測試耗盡模式晶體管所顯示的那樣。雖然可以在給晶體管漏極提供直流偏置、只給柵極提供脈沖的條件下執(zhí)行脈沖式I-V測試，但這樣做可能無法覆蓋所有感興趣的DUT測試條件。雖然漏極的直流偏置提供了簡單的測試方法，但在進(jìn)行VD-ID測試時不允許將q點(diǎn)值同時用于柵極和漏極，因?yàn)槁O信號經(jīng)常在掃描狀態(tài)，不在VD偏置點(diǎn)。為了支持完整的偏置點(diǎn)操作，柵極和漏極必須被同時施加脈沖。
許多射頻晶體管用于功率放大，并且可以處理高達(dá)200W的功率電平。能夠達(dá)到這種功率電平的脈沖源非常昂貴。因此為了控制成本和簡化測試要求，DUT通常是用于表征的晶體管的縮小版本(圖4)，雖然即使是一個較小的器件在進(jìn)行脈沖式I-V測試時也需要約30W的脈沖功率。
