MOS静态参数性能研究综合实验的设计与实践

贺 媛, 牛立刚, 李 昕, 纪永成, 马 健, 王 蕊

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

现代IC(Integratedciruit)工业发展日新月异, 而半导体器件是电子信息系统的基本单元, 因此使电子信息类专业的学生在本科学习阶段充分掌握半导体器件的知识对以后学习集成电路设计很有帮助[1-7]。

MOS器件的英文全称是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 即金属氧化物半导体场效应晶体管, 它是一种利用电场效应控制其电流大小的半导体器件[8-9]。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层, 因此具有很高的输入电阻(最高可达1015Ω)[9]。由于MOS器件的尺寸比其他类型器件能按比例缩得更小, 所以目前在大规模集成电路中, MOS器件是最主要的一类器件。MOS器件也是微处理器、 半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件, 是一种重要的功率器件, 因此在IC工业中具有很重要的地位[10-12]。

MOS器件的特点是用栅极电压控制漏极电流, 驱动电路简单, 需要的驱动功率小, 开关速度快, 工作频率高。因此, 使电子信息类专业的本科生充分了解掌握MOS器件的基本特性是非常有必要的。场效应晶体管的直流参数是衡量场效应晶体管性能好坏很重要的标准, 包括阈值电压即开启电压VT(增强型MOS管)或夹断电压VP(耗尽型MOS管或JFET), 饱和漏电流IDSS, 跨导gm以及输出特性曲线和转移特性曲线等。因此, 让学生更加直观、 深入地理解MOS器件各直流参数的物理意义将有助于学生对半导体器件性能知识的学习。本科实验教学的特点是能使学生更加直观地了解器件的工作原理, 工作动态, 同时培养学生的实验动手能力。因此, 为更好地适应半导体器件性能测试的实验教学需要, 在多年实验教学实践的基础上, 笔者设计了“MOS器件静态参数性能研究”综合实验, 并开发了相应的MOS器件静态参数测试仪。笔者研制开发的MOS器件静态参数测试仪可以分项也可组合测量多项半导体器件参数, 不仅有利于加深学生对半导体器件性能知识的理解, 而且有利于学生实践动手能力的培养, 适用于本科实验教学。

1 实验平台及实验装置的开发

1.1 实验平台开发背景

《半导体器件性能测试实验》主要是配合电子信息类学生的专业基础课《半导体器件物理》而开设的一门实验课程。“MOS器件静态参数测试”实验是其中的一个重要实验项目。目前市售的MOS器件静态参数测试仪大都是供生产专用的, 是智能化全封闭式的测量仪器, 学生在使用过程中只能得到最后的参数值, 并不能了解实际的测试过程, 这样的实验教学不利于学生深入理解半导体器件参数的物理意义。

1.2 实验平台及装置的开发

图1为笔者研制开发的MOS器件静态参数测试仪前面板图, 仪器采用常规的220 V供电电压, 功率为20 W。采用琴键开关切换表的测量功能, 实现了一表多用, 操作简单方便, 有效地节约了成本。仪器设计优化了测量端子, 采用过流、 过压保护装置, 可延长仪器使用寿命。由于仪器的主要用途是供本科实验教学使用, 而在实验教学中, 学生自己动手的过程中难免有一些不合理或错误操作, 使所加电流、 电压过大, 从而损坏仪器。而过流、 过压保护装置的采用则可有效保护仪器, 增加仪器的使用寿命, 有效保证实验课程的顺利进行, 同时使学生在实验课上可以更加放开手脚, 大胆操作。为进一步培养本科学生的创新能力和实践动手能力, 使学生能在更大的范围内自主操作, 仪器还采用了双表头同时监测的设计, 使测试电压在1.5～37 V范围内可调, 扩大了测试量程。这不仅能保证学生在实验课中对传统器件实验参数的测试, 还可以满足对新工艺, 新器件的参数测试, 为将来随着工艺发展需要的仪器升级预留了足够的空间。

图1 MOS器件静态参数测试仪前面板图

2 教学课程目标制定及实验内容设计

MOS器件的静态参数主要包括： 阈值电压(P沟道增强型MOS器件为开启电压VT； N沟道耗尽型MOS器件为夹断电压VP), 饱和漏电流IDSS(VDS为恒定值, 远大于VP, 当VGS=0时的ID值), 转移特性曲线(VDS恒定情况下电流ID随漏极电压VGS变化而变化的特性)和输出特性曲线(VGS恒定情况下电流ID随源漏之间电压VDS变化而变化的特性)。针对MOS器件静态参数的特性, 笔者设计的性能研究综合实验, 主要通过测量典型N沟道耗尽型MOS器件和P沟道增强型MOS器件的可变电压VDS和VGS, 观测漏极电流ID的变化情况。内容循序渐进, 层层深入, 让学生深刻体会到电压控制电流器件的特性, 进而深刻理解MOS器件的工作原理, 为以后进一步学习集成电路设计打下良好的基础。

3 教学实践

下面以N沟道耗尽型MOS器件的静态参数, 夹断电压和输出特性曲线的测试为例展示笔者设计的MOS器件静态参数性能研究综合实验以及开发的MOS器件静态参数测试仪的使用情况。

3.1 夹断电压的测试

阈值电压是MOS器件众多静态参数中最基本的一个参数。对耗尽型的MOS器件, 随着栅极和沟道间反向电压的不断增大, 耗尽区在沟道中所占据的空间也愈来愈大, 因而源极S与漏极D之间流动的电流逐渐减小。极限情况时, 反向电压能使电流完全中断； 此时, 场效应管已经夹断, 引起夹断所需的源极S与栅极G间的电压VGS就被称为夹断电压, 一般用VP表示。通常规定源极S和漏极D间电压VDS恒定时, 使漏极电流ID=0的栅极电压VGS即为夹断电压。

图2为夹断电压测试电路原理图。学生在了解阈值电压物理意义的基础上, 首先应明确掌握阈值电压测试的电路原理。如图2所示, 对N沟道耗尽型的MOS器件, 给器件的漏极D和源极S间恒定的一个电压源, 改变源极S与栅极G间的电压VGS, 电流表会实时显示出漏极电流ID随电压VGS的变化而变化的特性。进一步观察, 可以发现电流表表示的漏极电流ID的值随着电压表显示的源极S与栅极G间的电压VGS的值呈反比例变化。当源极S与栅极G间的电压VGS的值增大到一定程度, 漏极电流ID完全消失。

图2 夹断电压测试电路原理图

明确测试原理后, 学生在实验课中首先自主设计实验, 然后自己动手操作观察漏极电流随着源极S与栅极G间的电压变化而变化的过程。即学生可以通过自己动手操作观察到动态的MOS器件沟道夹断现象的完整过程。这非常有利于学生直观理解夹断电压这个物理参数, 这样直观生动的实验课程有利于引发学生对本专业基础课《半导体器件物理》的学习兴趣和思考。笔者设计的MOS器件静态参数性能研究综合实验使学生在实验教学中由被动学习转变为主动的实验设计与参与者, 实现了师生互动和学生之间的交流合作。

3.2 输出特性曲线的测试

输出特性曲线是在VGS不变的情况下, 观察ID随VDS变化的曲线。VGS取不同的常数即可得到输出特性曲线族。而VGS的合理取值则是由3.1实验中测试得到的阈值电压VP大小决定的。这也体现了综合实验设计的系统性, 以及每个实验步骤环环相扣, 以达到循序渐进逐步巩固理论基础知识的实验目的。

在3.1阈值电压的测试实验中, 设定VDS为一个恒定值后, 只需要改变VGS, 观察电流表的变化即可完成实验。而在本部分输出特性曲线族的测试中, 需要改变VGS和VDS两个分项的组合, 再观察电流表的变化情况。在这部分实验中,VGS的取值尤为重要,VGS的合理取值范围为不超过夹断电压VP的值。多年实践教学中发现, 学生在实际操作的过程中一般会遇到以下两种失误情况: 1) 忘记VGS的取值限定条件, 自行随意取值, 导致VGS在取值不合理的情况下, 无论VDS如何变化, 漏极电流的值都为零； 2)VGS在合理的取值范围内, 但漏极电流依然为零。这种情况一般是由上一步阈值电压测试的结果不准确造成的。这时需要再返回逐步检查阈值电压测试实验过程, 找到问题并解决。这也是本综合实验设计环环相扣, 逐步递进的体现。

图3为输出特性测试电路原理图, 其比3.1部分的实验多了一个电压分项的变量, 因此, 也增加了实验的难度。图4为实验课堂上测得的3DJ7 MOS器件的输出特性曲线图, 由图4可以看出, 最初一段ID随着VDS的增大而线性增加, 当VDS达到VP后,VDS继续增加但ID基本不再发生变化。如果此时VDS继续增加到达击穿电压时,ID则会突然增加, 进而进入击穿状态, 此时, 如控制不及时, MOS器件会在很短的时间烧毁。因此, 在实验课堂上只进行到ID达到饱和, 即恒定时的测量。

图3 特性测试电路原理图 图4 3DJ7 MOS器件的输出特性曲线

整个综合实验过程中,VDS和VGS两个电压值相互影响和作用, 最终影响漏极电流的值。整个实验过程直观地反应了MOS器件电压控制电流的特性, 因此MOS器件才能以线性好, 噪声小, 功耗小的特性在IC工业中占据一席之地。

4 结 语

笔者针对半导体器件----MOS器件性能研究的学习目标, 设计了MOS器件静态参数性能研究综合实验项目, 并开发了适用于本科实验教学特点的MOS器件性能参数测试仪。经过多年教学实践应用, 结果表明, 该实验课程可以有效激发学生对本专业基础课《半导体器件物理》的学习兴趣和思考, 开发的MOS器件静态参数测试仪可以分项或组合测量多项半导体器件参数, 既有利于学生实践动手能力的培养, 又有利于加深学生对半导体器件性能的理解, 贴近教学实际, 适用于本科生实验教学。