解決問題：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?yàn)槠渲行枰謩e加載很小的電流或電壓去控制功耗或者減少焦耳熱效應(yīng)。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(dǎo)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(dāng)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(zhàn)。

與微米級(jí)元件與材料的I-V曲線生成不同的是，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)來實(shí)現(xiàn)。這種方法的問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，而且包括測試引線和接觸點(diǎn)上的壓降。如果目標(biāo)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題。但是，當(dāng)測量導(dǎo)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(zhǔn)確的結(jié)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(dǎo)線和半導(dǎo)體納米線，那么采用基于探針臺(tái)的四線開爾文測量方法將會(huì)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。開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，因此流過這些探針的電流可以忽略不計(jì)，從而測出的只有DUT兩端上的電壓降。這樣一來，電阻測量結(jié)果和生成的I-V曲線就更加精確。實(shí)現(xiàn)這一測量方法所需的源和測量功能的通常稱為源-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單低電平測量技術(shù)。要想在低電平下實(shí)現(xiàn)更有效的脈沖測量，脈沖測試技術(shù)應(yīng)該與行頻同步技術(shù)結(jié)合使用。通過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(yīng)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爾塔方法。德爾塔是指“之前”和“當(dāng)前”讀數(shù)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似的稱為三點(diǎn)德爾塔的方法解決這一問題。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)愁這些技巧沒有用武之地嗎？那就繼續(xù)關(guān)注我們納米話題的最后一講吧，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(dǎo)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(shù)據(jù)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。納米測量儀器的靈敏度必須要高得多，因?yàn)樾枰獪y量的電流和電壓更低，而且很多納米材料還明顯表現(xiàn)出改善的特性，例如超導(dǎo)性。待測電流的幅值可能處于飛安量級(jí)，電壓處于納伏量級(jí)，電阻低至微歐量級(jí)。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(hào)。

具有0.1fA（即100埃安）和1μV分辨率的吉時(shí)利4200-SCS半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)就是這樣一種解決方案。其專門提供的脈沖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(jié)合內(nèi)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(xiàn)直流和脈沖I-V測試。

信號(hào)反射常常會(huì)干擾用戶定制的脈沖測試系統(tǒng)，為了盡可能減少由于阻抗匹配不好而造成的信號(hào)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(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1. 吉時(shí)利4200-PIV測試系統(tǒng)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。

圖2. 一系列FET曲線的脈沖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(dǎo)電材料或器件，用戶利用吉時(shí)利的6221/2182A組合可以設(shè)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(shù)，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(jí)上升時(shí)間的短脈沖（減少了熱功耗）。

6221/2182A組合能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖和測量同步——可以在6221加載脈沖之后的16μs內(nèi)開始測量。整個(gè)脈沖，包括一次完整的納伏測量一起，可以短達(dá)50μs。6221和2182A之間的行同步也消除了與電源線相關(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(yīng)用需求的靈活性。用戶可以設(shè)置脈沖參數(shù)，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。其簡潔的用戶界面加快了學(xué)習(xí)曲線的建立過程，相比同類產(chǎn)品能夠使用戶更快地設(shè)置和執(zhí)行測試操作。

結(jié)束語：
脈沖測試為人們和研究納米材料、納米電子和目前的半導(dǎo)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(dǎo)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?qū)ο乱淮骷M(jìn)行低電阻測量或者進(jìn)行I-V特征分析，同時(shí)保護(hù)這些寶貴的器件不受損壞。