201204实验六MOSFET直交流特性参数测试及SPICE参数提取实验指导2

实验六MOSFET直、交流特性参数测试及SPICE参数提取引言MOSFET的直流输入特性，直流输出特性，开启电压，直流导通电阻，漏源击穿电压，跨导和动态电阻是通常测试的主要电参数。本实验介绍了三种测试方法，即用BJ-4815图示仪、万用表和PC机分别进行测试。其中图示仪测量的特点是操作简便，迅速，结果直观，但测试精度不高。用万用表测试，其特点是测试原理直观，精度较高，但人工采集数据量太大，结果不直观；而用PC机进行测试，其特点是测试速度极快，自动化程度高，结果直观，测试精度极高，其测试结果可打印输出，也可存盘保留，非常方便。一、实验目的1．通过实验加深理解MOSFET器件交、直流参数的物理意义。2．了解MOSFET器件与双极晶体管工作原理的区别。3．熟悉SPICE程序中MOS模型及其模型参数，学会提取MOS模型参数的方法。二、实验原理1．测试样品介绍：本实验的测试样品是集成电路TC4069，是不带驱动器的CMOS反相器，是G、D、S、B端互相独立，并能引击的MOSFET(图1)，其管脚排列图如图2所示。它提供了G、D、S端互相独立且可从管脚引出的N沟和P沟的MOSFET。由于CMOSIC中所有N管的S端，B端短接SSV，所有P管的S、B端短接DDV，因此，N管和P管均为0bsV，用TC4069样品不能测试衬底调制效应。图1图22．MOSFET的直流输人特性GSDSVI~MOSFET是用栅电压控制漏源电流的器件。固定一个漏源电压DSV，可测得一条GSDSVI~关系曲线，对应一组阶梯漏源电压测得一组直流输入特性曲线如图3所示。每条线均有三个区域，即截止区饱和区，非饱和区，曲线与轴交点处TGSVV，曲线中各点切线的斜率即为所对应的DSV和GSV的跨导。切线斜率越大，跨导越大，MOSFET的栅控能力越强。从理论上讲在三个区域中应是：（以N沟增强管为例）(1)0TGSVV，截止区：0DSI，曲线与GSV轴重合，跨导0mg；(2)DSTGSVVV0，饱和区，2TGSDSVVKI为二次曲线，跨导TGSmVVKg2；(3)DSTGSVVV，非饱和区，DSTGSDSVVVKI2为一次曲线，跨导DSmVKg2，用直流输入特性曲线可测得MOSFET在各工作点的跨导。1.TDSGSVVV12.TDSGSVVV23.TDSGSVVV3图33．MOSFET直流输出特性DSDSVI~MOSFET直接输出特性是在某一固定的栅源电压下所得到DSDSVI~关系曲线，相对一组阶梯栅源电压可测得一组输出特性曲线如图4所示。每条曲线分三个区域。(1)DSTGSVVV非饱和区，曲线斜率逐渐变小；(2)DSDSTGSBVVVV饱和区，斜率很小的直线；(3)DSDSBVV击穿区，陡直上升的曲线。从这组曲线中可测得MOSFET的直流导通电阻ONR，动态电阻dr，平均跨导mg及漏源击穿电压DSBV。图4MOSFET的直流导通电阻DSDSONIVR，曲线中每点（即每个工作点）的导通电阻为这点所对应的DSV和DSI的比值，理论上讲，在DSV很小时特性曲线呈线性，ONR即为直线斜率的倒数：TGSONVVKR21非在临界饱和点：TGSONVVKR1临MOSFET的导通电阻是随GSV和DSV变化的可变电阻。MOSFET的动态电阻GSDSDSdVIVr，曲线中各状态的动态电阻即为各点切线斜率的倒数。在非饱和区DSV很小时非ONdRr，在饱和区是一个阻值很大的常数。MOSFET的漏源击穿电压可从特性曲线中直接测取。MOSFET在某一GSV范围内的跨导的平均值mg可在特性曲线中直接测出。CVVVIIgDSGSGSDSDSm1221从曲线中可以看出，GSV相同时，饱和区的跨导（或平均跨导）大于非饱和区的跨导，因此放大器的工作点一般均在饱和区。4．MOSFET的开启电压TV使MOSFET开始强反型导通时所加的栅源电压叫开启电压，它是受衬底电压bsV调制的，当0bsV时，开启电压为TOV。开启电压测量方法很多，本实验中用了以下几种：(1)最简单的办法是测量GSDSVI~关系曲线，曲线明显拐弯处即为TGSVV。由于开启和漏电流问题，这种方式测量开启电压不够准确。(2)拟合直线法可以测得较准确的开启电压。由萨方程可知，在非饱和区TDSGSVVZKVDSV在DSV很小时测GSDSVI~关系数据，做GSDSDSVVI~关系的直线，直线在GSV轴的截距即为开启电压。(3)饱和A1法测量开启电压是一种很简单的办法。使MOSFET漏栅短接，即工作在饱和区。将AIDS1的GSV值定为MOSFET的开启电压。这种方法所测值比实际的开启电压略大。三、实验内容1．使用BJ-4815图示仪测量开启电压和输出特性。2．使用万用表方法测直流输入特性，直流输出特性及饱和A1开启电压。3．使用PC机测试系统测直流输入，直流输出特性曲线及非饱和区拟合直线法，饱和A1法等的开启电压。4．在BJ-4815图示仪所显示的输出特性曲线上测定MOSFET的直流导通电阻，动态电阻，跨导和漏源击穿电压。5．在PC机测试系统的输入和输出特性曲线上测定直流导通电阻，动态电阻和跨导。四、实验步骤和方法1.使用BJ-4815图示仪进行测量：(1)使用BJ-4815图示仪测量MOSFET开启电压。在实验样品为CD4069，以N沟增强型为例。1)将MOSFET的G、D、S引出端分别与图示仪，B、C、E端相接，E端接图示仪的地，将B、C短路。2)图示仪上极性选NPN，选择发射板接地，阶梯作用置单组，阶梯电流调至最小（否则D、S间有明显的电流注人，使测量不准）。3)置衬底偏置电位0bsV，增大图示仪的峰值电压，调节“x轴作用”，“y轴作用”旋钮，图示仪将显示一条GSDSVI~曲线，确定开启开压TOV。位置测完后将B、C极断路。(2)使用BJ-4815图示仪测量MOSFET的直流输出特性1)将图示仪的B、G端接1K的电阻，阶梯选择选阶梯电压，例如阶梯电压可选0.5/cm。2)将“阶梯作用”置重写，调“x轴作用”，“y轴作用”旋钮（注意，x轴，y轴要选择适合的档；即每厘米所选的电流和电压。本实验样品中的VVVVmAITDSDS5.144，，）到适合档。增大峰值电压，在屏幕上显示一组完整的输出特性曲线。3)用半透明纸将曲线复制下来，注意标出坐标轴的分度及每条曲线所对应的GSV值。4)调节图示仪的面板旋钮及坐标原点位置，在曲线上测定VVGS3时的非ONR，临ONR临及漏源击穿电压DSOBV和饱和区的动态电阻dr测定VVGS3~2间VVDS5.0和3V时的平均跨导mg。2.使用万用表方法进行测量：(1)用万用表测量MOSFET饱和A1的开启电压1)按图5连接测试电路。图52)打开直流电源，电源电压＜3V，调节1RW，使mAVA100，这时电压表BV即为开启电压。(2)用万用表测MOSFET的直流输入，输出特性图61)按图6连接测试电路。2)测量输人特性时，逐渐加大电源电压1U，使其从0.5V开始调整加大，在1V电压表上得到,......0.2,5.1,0.1,5.0VVVVVDS等在每个固定的DSV值时调节电位器RW（测量GSV），使2V从0~3V变化，VVGS2.0，在调节过程中记录每一测试点的电流表上所显示的值。在测试过程中随时注意调节电源电压1U，使固定的DSV值不起伏。3)测量输出特性时，调节电位器RW，使电压表2V从2V~3.5V变化VVGS5.0，并在每一个固定的GSV调节电源电压1U，使电压表1V从0-3V变化，VVDS2.0，在调节过程中记录每一测试点电流表所显示的DSI值。3.使用PC机测试系统进行测量：(1)MOSFET直流特性参数测试系统介绍：本系统包含USB数据采集卡、端子板、硬件测试电路和PC端软件四部分组成1)USB数据采集卡：USB2833卡是一种基于USB总线的数据采集卡，可直接和计算机的USB端口相连，采集卡如图所示2)端子板：USB2833卡的D型插座与端子板通过数据线相连。其37个管脚均匀分布在端子板的上面。其中有AI0-AI15，共16个AD模拟输入通道，AO0-AO3，共3个AD模拟输出通道，AGND数字地与DGND模拟地。下图为端子板与其端口图。端子板端口图3)硬件测试电路：测试电路选用TC4069作为测试芯片，协同外围电路进行测试，TC4069内部是反相器，故为NMOS和PMOS组成。硬件测试电路如下TC4069芯片内部是由六个反相器构成，每一个反相器又是由一个NMOS和一个PMOS组成的，所以在做特性测试的时候芯片的G1-G6是每个MOS的栅极，D1-D6是每个MOS的漏极，在实验时任选一个MOS即可。4)PC端软件：本测试系统MOSFETAPP可以测试MOSFET的转移特性、输出特性、阈值电压以及提取SPICE模型直流参数。与万用表测试相比，它具有使用简单、测试速度快、自动化程度高、测试精度高和测试结果直观等优点，尤其是可以优化提取SPICE模型直流参数。(2)测量流程：首先连接线路如上图所示连线(G与G6，D与D6)，电路板上的GND与端子板上AGND管脚相连(请对照上页的端子板接口图，同一功能的管脚，一个端子板上很多，记住选择的管脚是哪一个)；电路板上的G与端子板上的AO0或AO1相连；电路板上的D'与AO2或AO3相连；电路板D与端子板上任意一条AI相连，(请记住选择的通道，在软件中会设置到。)点击如上图所示桌面快捷方式进入MosFetApp输入用户名及密码后单击【确定】登陆后显示如图MosFet软件主界面单击界面上方的文件——开始新测试单击右下角的【下一步】阅读实验原理说明待右下角倒计时结束后单击下一步“采样电阻设定”菜单：用户在使用本测试系统的时候根据不同的测试项目选择不同阻值的采样电阻。一般的，进行直流特性测试时采样电阻应选择IK，进行饱和1uA法测阈值电压时采样电阻应选择l00K。当用户在硬件电路连接以后使用这个菜单设置采样电阻的阻值。如果在硬件电路中改变了采样电阻的阻值而不在软件中进行设置，将产生数据处理上的错误，用户将不能得到实际的测试数据。设定参数后单击【确定】选择电路图连接时所确定的采集卡输出通道（根据实际电路图连接不同，通道选择视实际情况而定）单击【确定】选择MOSFET类型后单击【确定】如图，确认个参数设置无误后单击右下角的【下一步】单击【下一步】如图转移特性测试页面，确定屏幕显示“没有数据”。单击【测试】。如有测试结果请单击【清屏】使软件提示“没有数据”后单击【测试】。等待结果生成。待转移特性测试结果生成后单击【保存图片】，单击【下一步】利用所得数据，在之后的数据处理中求出跨导gm如图进入输出特性测试页面，确定屏幕显示“没有数据”。单击【测试】。如有测试结果请单击【清屏】使软件提示“没有数据”后单击【测试】。等待结果生成。单击下一步显示如图信息后单击【确定】，待拟合结果生成后单击【保存截图】，关闭后单击下一步如图所示，18个SPICE参数为：——沟长调制因子Y——体效应系数——窄沟因子W——设计沟宽L——设计沟长Xj——结深Ld——横向扩散Tox——栅氧化层厚度U0——低电场迁移率Nsub——衬底掺杂浓度Ucrit——迁移率下降的退化电场Uexp——迁移率下降指数Vto——零偏门线电压Nfs——快界面态密度Vmax——载流子饱和漂移速率Neff——有效衬底参杂因子Pb——衬底PN结势垒Φf——衬底费米势（2Φf为强反型表面）用SPICE参数模拟出来的输出特性曲线不可能一次就与实际测试的输出特性曲线符合良好，所以必须对各SPICE参数进行调整。应当注意：首先应进粗略调整，使模拟曲线和测试曲线在各区域（截止区、亚阈值区、线性区和饱和区）的趋势走向大致相当，然后才能进行细致的调整。单击【保存截图】后单击【确认】。待生成，如图所示，先单击【保存图片】后单击【下一步】断开usb采集器与电脑的连