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隨著(zhù)納米技術(shù)日新月異的發(fā)展，研究已深入到原子挨原子的分子級，構造具有全新特性的新結構。特別地，納米電子領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，其潛在影響涉及非常寬的行業(yè)領(lǐng)域。目前的納米電子研究的內容主要是如何開(kāi)發(fā)利用碳納米管、半導體納米線(xiàn)、分子有機電子和單電子器件。 不過(guò)，由于多方面的原因，這些微小器件無(wú)法采用標準的測試技術(shù)進(jìn)行測試。其中一個(gè)主要原因在于這類(lèi)器件的物理尺寸。某些新型“超CMOS”器件的納米級尺寸很小，很容易受到測量過(guò)程使用的甚至很小電流的損壞。此外，傳統直流測試技術(shù)也不總是能夠揭示器件實(shí)際工作的情況。 脈沖式電測試是一種能夠減少器件總能耗的測量技術(shù)。它通過(guò)減少焦耳熱效應（例如I2R和V2/R），避免對小型納米器件可能造成的損壞。脈沖測試采用足夠高的電源對待測器件（DUT）施加間隔很短的脈沖，產(chǎn)生高品質(zhì)的可測信號，然后去掉信號源。 通過(guò)脈沖測試，工程技術(shù)人員可以獲得更多的器件信息，更準確地分析和掌握器件的行為特征。例如，利用脈沖測試技術(shù)可以對納米器件進(jìn)行瞬態(tài)測試，確定其轉移函數，從而分析待測材料的特征。脈沖測試測量對于具有恒溫限制的器件也是必需的，例如SOI器件、FinFET和納米器件，可以避免自熱效應，防止自熱效應掩蓋研究人員所關(guān)心的響應特征。器件工程師還可以利用脈沖測試技術(shù)分析電荷俘獲效應。在晶體管開(kāi)啟后電荷俘獲效應會(huì )降低漏極電流。隨著(zhù)電荷逐漸被俘獲到柵介質(zhì)中，晶體管的閾值電壓由于柵電容內建電壓的升高而增大；從而漏極電流就降低了。 脈沖測試有兩種不同的類(lèi)型：加電壓脈沖和加電流脈沖。 電壓脈沖測試產(chǎn)生的脈沖寬度比電流脈沖測試窄得多。這一特性使得電壓脈沖測試更適合于熱傳輸實(shí)驗，其中我們所關(guān)心的時(shí)間窗口只有幾百納秒。通過(guò)高精度的幅值和可編程的上升與下降時(shí)間能夠控制納米器件上的能耗大小。電壓脈沖測試可用于可靠性測試中的瞬態(tài)分析、電荷俘獲和交流應力測試，也可用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號，模擬重復控制線(xiàn)，例如存儲器讀寫(xiě)周期。 電流脈沖測試與電壓脈沖測試非常相似。其中，將指定的電流脈沖加載到DUT上，然后測量器件兩端產(chǎn)生的電壓。電流脈沖測試常用于測量較低的電阻，或者獲取器件的I-V特征曲線(xiàn)，而不會(huì )使DUT產(chǎn)生大量的能耗，避免對納米器件的損害或破壞。 電壓和電流脈沖測試都有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它們的缺點(diǎn)卻不盡相同。例如，超短電壓脈沖的速度特征分析屬于射頻（RF）的范疇，因此如果測試系統沒(méi)有針對高帶寬進(jìn)行優(yōu)化，那么測量過(guò)程中很容易產(chǎn)生誤差。其中主要有三種誤差來(lái)源：由于線(xiàn)纜和連接器造成的信號損耗、由于器件寄生效應造成的損耗以及接觸電阻。 電流脈沖測試的主要問(wèn)題是上升時(shí)間較慢，可能長(cháng)達幾百納秒。這主要受限于實(shí)驗配置中的電感和電容。 解決問(wèn)題：脈沖I-V測試 ——納米測試小技巧 在對納米器件進(jìn)行電流-電壓（I-V）脈沖特征分析時(shí)通常需要測量非常小的電壓或電流，因為其中需要分別加載很小的電流或電壓去控制功耗或者減少焦耳熱效應。這里，低電平測量技術(shù)不僅對于器件的I-V特征分析而且對于高電導率材料的電阻測量都非常重要。利于研究人員和電子行業(yè)測試工程師而言，這一功耗限制對當前的器件與材料以及今后器件的特征分析提出了巨大的挑戰。 與微米級元件與材料的I-V曲線(xiàn)生成不同的是，對納米材料與器件的測量需要特殊的方法和技巧。I-V直流特征分析通常采用兩點(diǎn)式電氣測量技術(shù)來(lái)實(shí)現。這種方法的問(wèn)題是如果提供電流源并測量電壓，那么所測得的電壓不僅包括器件上的壓降，而且包括測試引線(xiàn)和接觸點(diǎn)上的壓降。如果目標是測量某個(gè)器件的電阻，采用普通歐姆表測量大于幾個(gè)歐姆的電阻，那么這種測量方法增加的電阻通常不成問(wèn)題。但是，當測量導電納米材料或元件的低電阻時(shí)，如果采用兩點(diǎn)測量方法，即使使用脈沖測試，也難以獲得準確的結果。 如果脈沖I-V特征分析或電阻測量涉及低電壓或低電阻，例如分子導線(xiàn)和半導體納米線(xiàn)，那么采用基于探針臺的四線(xiàn)開(kāi)爾文測量方法將會(huì )得到更準確的結果。開(kāi)爾文測量法中采用了另外一套探針進(jìn)行探測。由于探測輸入端上具有很高的阻抗，因此流過(guò)這些探針的電流可以忽略不計，從而測出的只有DUT兩端上的電壓降。這樣一來(lái)，電阻測量結果和生成的I-V曲線(xiàn)就更加精確。實(shí)現這一測量方法所需的源和測量功能的通常稱(chēng)為源-測量單元（SMU），它能夠提供電源并測量直流電壓和電流。 脈沖測試可以借助直流測量中用到的一些簡(jiǎn)單低電平測量技術(shù)。要想在低電平下實(shí)現更有效的脈沖測量，脈沖測試技術(shù)應該與行頻同步技術(shù)結合使用。通過(guò)同步脈沖測量與行頻，可以消除所有50/60Hz的行頻噪聲。 對于需要較高電壓靈敏度的應用，即使是很小的誤差也不容忽視。避免這些誤差的一種常用方法是采用德?tīng)査椒�。德�(tīng)査侵浮爸啊焙汀爱斍啊弊x數之間的差值，可用于校正直流偏移量。但是，直流偏移量常常會(huì )發(fā)生漂移。我們可以采用一種類(lèi)似的稱(chēng)為三點(diǎn)德?tīng)査姆椒ń鉀Q這一問(wèn)題。其中，在脈沖之后再進(jìn)行第三次測量可以校正這種漂移。 還在發(fā)愁這些技巧沒(méi)有用武之地嗎？那就繼續關(guān)注我們納米話(huà)題的最后一講吧，你將了解到真正能夠測試納米器件的工具哦！ 納米器件的測試工具 對于納米電子和半導體材料與薄膜，采用靈敏的電氣測量工具是十分必要的。它們提供的數據能夠幫助我們完全掌握新材料的電氣特性和新器件與元件的電氣性能。納米測量?jì)x器的靈敏度必須要高得多，因為需要測量的電流和電壓更低，而且很多納米材料還明顯表現出改善的特性，例如超導性。待測電流的幅值可能處于飛安量級，電壓處于納伏量級，電阻低至微歐量級。因此，測量技術(shù)和儀器必須盡可能地減少噪聲和其他誤差源，以免干擾信號。 具有0.1fA（即100埃安）和1μV分辨率的吉時(shí)利4200-SCS半導體特征分析系統就是這樣一種解決方案。其專(zhuān)門(mén)提供的脈沖I-V工具套件為脈沖I-V測量提供了雙通道脈沖發(fā)生與測量功能。如果結合內部安裝的高速脈沖發(fā)生器和示波器，4200及其PIV工具套件能夠同時(shí)實(shí)現直流和脈沖I-V測試。 信號反射常常會(huì )干擾用戶(hù)定制的脈沖測試系統，為了盡可能減少由于阻抗匹配不好而造成的信號反射，吉時(shí)利的4200脈沖I-V測試解決方案提供了一種系統互連箱——RBT（Remote Bias-Tee），為連接脈沖發(fā)生器提供了AC/DC耦合，該直流測試儀器的原理結構如圖1所示。 
圖1. 吉時(shí)利4200-PIV測試系統的原理圖 利用這種工具套件，研究人員可以同時(shí)進(jìn)行直流和脈沖IV測試以掌握器件特性，例如如圖2所示的FET器件系列特征曲線(xiàn)。
圖2. 一系列FET曲線(xiàn)的脈沖I-V與直流I-V特征分析 對于具有較大電阻幅值變化的各種導電材料或器件，用戶(hù)利用吉時(shí)利的6221/2182A組合可以設置最佳的脈沖電流幅值、脈沖間隔、脈沖寬度和其它一些脈沖參數，從而最大限度降低了DUT上的功耗。6221能夠在全量程上產(chǎn)生具有微秒級上升時(shí)間的短脈沖（減少了熱功耗）。6221/2182A組合能夠實(shí)現脈沖和測量同步——可以在6221加載脈沖之后的16μs內開(kāi)始測量。整個(gè)脈沖，包括一次完整的納伏測量一起，可以短達50μs。6221和2182A之間的行同步也消除了與電源線(xiàn)相關(guān)的噪聲。 最后，吉時(shí)利的3400系列脈沖/碼型發(fā)生器為廣大納米技術(shù)研究者提供了處理各種應用需求的靈活性。用戶(hù)可以設置脈沖參數，例如幅值、上升和下降時(shí)間、脈沖寬度和占空比，可以選擇多種操作模式，包括用于材料和器件特征分析的脈沖與猝發(fā)模式。其簡(jiǎn)潔的用戶(hù)界面加快了學(xué)習曲線(xiàn)的建立過(guò)程，相比同類(lèi)產(chǎn)品能夠使用戶(hù)更快地設置和執行測試操作。 結束語(yǔ)： 脈沖測試為人們和研究納米材料、納米電子和目前的半導體器件提供了一種重要手段。在加電壓脈沖的同時(shí)測量直流電流是電荷泵的基本原理，這對于測量半導體和納米材料的固有電荷俘獲特性是很重要的。施加電流脈沖同時(shí)測量電壓使研究人員能夠對下一代器件進(jìn)行低電阻測量或者進(jìn)行I-V特征分析，同時(shí)保護這些寶貴的器件不受損壞。 |
