在晶体管器件的研发阶段，制造商通常需要对设计原型进行电学特性评估。直流（DC）测试是最常见的方法，但对于许多半导体器件而言，只有脉冲或短时导通（开关）激励条件下，才能更真实地反映其实际工作行为。
相比连续直流测试，脉冲测试通过在极短时间内施加激励，可显著降低器件自发热（焦耳热）对测量结果的影响，从而更准确地表征器件的本征特性。这一优势使脉冲测量被广泛应用于纳米器件、功率器件及晶圆级测试等场景，尤其适用于对热效应高度敏感的精细结构和新型材料器件。
此外，脉冲测试不仅有助于降低早期封装和散热设计带来的测试成本，还能够简化多温区器件表征，并在一定程度上扩展测试仪器的电流、电压输出能力边界。
尽管脉冲测试在硬件搭建上并不复杂，但在实际应用中，仪器配置、参数设置以及测试自动化往往具有较高门槛。理想情况下，应当借助一套直观的软件工具，以简化测试流程并提升效率。
本文将介绍脉冲测试在半导体器件表征中的核心价值，并以 MOSFET 为例，说明如何使用 Keithley KickStart 软件快速建立自动化脉冲测试流程，并生成表格和图形化的测试结果。
MOSFET 的 I-V 曲线测量
半导体器件（例如晶体管）是电子产品的基础。大多数器件在研发流程的不同阶段都需要进行电气特性表征，包括研究实验室、晶圆厂、高校以及器件制造商等。
Keithley 是晶体管 I-V 特性表征领域的行业领导者。使用 SMU（源测量单元）进行半导体器件表征非常理想，因为 SMU 既可以施加激励，又可以进行测量，尤其适用于低电流测量。对于端口数超过两个的器件进行测试，通常需要多台 SMU。然而，一台双通道 SMU 即可完成单个场效应晶体管（FET）的绝大多数特性表征。图 1 展示了在 MOSFET 的 I-V 特性表征中使用两台 SMU 的示意。
图 1： 使用双通道 SMU 进行 MOSFET I-V 特性表征的电路示意图。
晶体管 I-V 特性表征中的常见测量参数包括：
漏极电压（VD）：施加在 FET 漏极端的电压称为漏极电压。
漏极电流（ID）：漏极端从电压源汲取的电流称为漏极电流。漏极电流能够提供关于器件工作状态和效率的大量信息。
其他常见测量参数还包括：栅极电压（VG）、栅极电流（IG）、阈值电压（VTH）。
图 2 显示了使用 双通道 Keithley SourceMeter® SMU 仪器生成的 MOSFET 漏极特性曲线族。
图 2： MOSFET 的 I-V 曲线。
脉冲 I-V 特性表征
脉冲 I-V 特性表征（如前所述，即在极短时间内、以有限占空比施加电压和电流）是测量 I-V 曲线的另一种常见方式，可通过 KickStart 软件实现。脉冲 I-V 测量可以缩短测试时间，并在不超过 MOSFET 安全工作区、且不引起器件自热及参数漂移的情况下完成器件表征。
通常使用两个脉冲 I-V 通道来测量 MOSFET 的 I-V 曲线，其中一个通道连接至栅极，另一个通道连接至漏极。每个通道的地端均连接至 MOSFET 的源极引脚。
MOSFET 特性曲线的构建过程
在构建晶体管特性曲线时，流程如下：
1.栅极通道首先向栅极施加电压；
2.随后，漏极通道对 VDS 进行扫描，并在每个扫描点测量相应的电流；
3.接着，栅极通道施加另一组不同的栅极电压；
4.重复上述过程，从而构建出下一条 MOSFET I-V 曲线，最终形成一组完整的特性曲线。
SMU 可通过内置的脉冲和直流扫描功能简化上述过程，包括：线性阶梯扫描、对数阶梯扫描、自定义扫描。
在 KickStart 中测量 FET 的脉冲 I-V 特性
本应用演示了如何使用 2636B 系列 SMU 仪器对 FET 进行脉冲 I-V 表征测试。2636B 非常适合用于半导体器件测试，因为它能够快速且高精度地输出和测量电流与电压。确定 FET 的 I-V 参数有助于确保其在预期应用中能够正常工作，并且满足相关规格要求。使用 2636B 可以执行多种 I-V 测试，包括：
栅极漏电流
击穿电压
阈值电压
转移特性
漏极电流
测试所需的 2636B 仪器数量取决于需要施加偏置并进行测量的 FET 端子数量。本应用展示了如何在三端 MOSFET 上执行一组 漏极特性曲线（Vds-Id） 测试。MOSFET 是最常用的 FET 类型，因为它是数字集成电路的基础器件。
所需设备与软件
一台 2636B SourceMeter® SMU 仪器
Keithley KickStart 启动软件 2.6.0 或更高版本，已安装在计算机上
四根 三轴电缆（Keithley 7078-TRX-10）
一套带有 三轴母头连接器 的金属屏蔽测试夹具或探针台
一个三轴T型连接器（Keithley 237-TRX-T）
使用一根GPIB 电缆、USB电缆或以太网电缆之一
远程连接设置
本应用被配置为远程运行模式。你可以通过仪器支持的任意通信接口运行该应用，包括 GPIB、USB 或以太网。图 4 显示了远程通信接口在仪器后面板上的连接位置。
图 4：2636B 远程接口连接示意图
设备连接（Device Connections）
为执行 MOSFET 的漏极特性曲线（drain family of curves）测试，需要将两台仪器都配置为源电压、测电流模式。在该电路中，将 2636B 的 SMUB 通道的 Force HI 端子连接到 MOSFET 的栅极（Gate），并将 2636B 的 SMUA 通道的 Force HI 端子连接到 MOSFET 的漏极（Drain）。将 MOSFET 的**源极（Source）**连接到 2636B 两个通道的 Force LO 端子。如果需要对 MOSFET 的三个端子都进行源/测操作，则需要第二台 2636B（或一台 2635B 单通道 SMU）。图 5 显示了使用两路 2636B 仪器通道对 MOSFET 进行 I-V 测试的配置方式。
图 5：MOSFET 的三端 I-V 测试配置示意图
图 6 显示了 2636B 通道后面板端子与 MOSFET 之间的连接方式。
栅极（Gate）
源极（Source）
Force HI
237-TRX-T 三同轴 T 型连接器
7078-TRX-10 三同轴至三同轴电缆
漏极（Drain）
图 6：使用两路 2636B 通道测试三端 MOSFET 的连接配置
在该应用中，需要从 2636B 后面板的母头三同轴接口，使用四根三同轴电缆（7078-TRX-10）连接至 MOSFET 器件。MOSFET 器件应安装在带金属屏蔽的测试夹具中，该夹具配有母头三同轴接口。使用 三同轴 T 型连接器（237-TRX-T），将 2636B 两个通道的 Force LO 端子同时连接到 MOSFET 的源极（Source）。
启动 KickStart 并设置测试
当计算机与 2636B 之间的通信电缆连接完成后，即可启动 KickStart 软件。
创建测试项目的步骤如下：
启动 KickStart 软件。启动界面将显示，如图 7所示。
图 7：KickStart 软件启动页面。
2. 在仪器实例中，单击居中的标签，将其重命名为 “MOSFET 2636B”。请注意，这一步并非必需，仅用于演示在 KickStart 用户界面中，当存在多台 SMU 或其他仪器可供选择时，如何为仪器应用自定义名称。
图 8：用户可以重命名仪器实例。
3. 通过双击或拖拽方式，将 MOSFET 2636B 仪器放入主应用暂存区（staging area），然后选择 I-V Characterizer（I-V 表征器）。
图 9：选择 I-V Characterizer 应用。
4. 进入 SMU-1 通道设置选项卡，将通道标签修改为 “Drain（漏极）”。
图 10：重命名 SMU 通道。
5. 应用以下漏极源（Drain source）设置更改（如图 11所示）：
a. 将 Type（类型） 设置为 Pulse（脉冲）。
b. 将 Function（功能） 设置为 Voltage（电压）。
c. 将 Mode（模式） 设置为 Sweep（扫描）。
d. 将 Start level（起始电平） 设置为 0 V。
e. 将 Stop level（停止电平） 设置为 10 V。
图 11：应用漏极源类型与输出设置。
6. 切换到 SMU-2 设置选项卡，并将通道标签修改为 “Gate（栅极）”。
图 12：重命名 SMU 通道。
7. 应用以下栅极源（Gate source）设置更改（如图 13所示）：
a. 将 Type（类型） 设置为 Pulse（脉冲）。
b. 将 Function（功能） 设置为 Voltage（电压）。
c. 将 Mode（模式） 设置为 Sweep（扫描）。
d. 将 Start level（起始电平） 设置为 3 V。
e. 将 Stop level（停止电平） 设置为 5 V。
f. 将 Limit（电流限值） 设置为 10 mA。
图 13：应用栅极源类型与输出设置。
8. 在 Measure（测量） 设置区域中，将 Range（量程） 更改为 10 mA。
9. 切换到 Common Settings（通用设置） 面板，并应用以下设置：
a. 将 Source/Sweep Points（源/扫描点数） 设置为 21。
b. 将 Source to Measure Delay（源到测量延时） 设置为 5e-4 s。
c. 将 Width（脉冲宽度） 设置为 10 ms。
d. 将 Off Time（关断时间） 设置为 100 ms。
e. 将 Stepper（步进器） 设置为 Gate（栅极）。
f. 将 Stepper Points（步进点数） 设置为 3。
图 14：应用通用设置。
10. 单击 Run（运行） 按钮以执行测试。
11. 单击 KickStart 用户界面顶部的 Graph（图形） 选项卡。
12. 将鼠标光标悬停在图例（legend）上方，并取消选择栅极（Gate）的电流数据。
图 15： 更新图例设置，仅在 y 轴 上绘制 漏极电流（Drain current）。
13. 将鼠标光标悬停在图形顶部中央区域，以显示标题输入字段，并为图形输入自定义标题。
图 16： 为测试数据添加标题。
14. 测试数据将立即以图形方式显示；同时，你也可以选择将图形保存为 .png 文件，或复制到剪贴板，以便直接粘贴到消息或报告中。
图 17： 以图形方式显示的脉冲宽度调制输出数据。
总结（Summary）
进行脉冲测试的主要原因，是降低器件在被激活时产生的自发热——尤其是在器件以最大工作能力运行并持续较长时间的情况下。对于尚未完成合适封装或散热设计的早期器件方案而言，脉冲测试是最合适的测试阶段。对于 IGBT 和 功率 MOSFET，脉冲测试有助于在早期阶段获取器件性能的关键洞察，从而发现潜在缺陷并推动设计改进。无论你的脉冲测试需求为何，Keithley 源测量单元（SMU）与 KickStart 软件都是理想的组合，可帮助你快速建立测试配置、采集数据，并以表格和图形形式与同事共享测试结果。本文中给出的 KickStart 示例基于 2636B 系列 SMU，该仪器在脉冲工作区域内可实现 10 A、50 W 的输出能力。同时需要注意的是，KickStart 还支持 2651A SMU（可实现更高电流，最高达 50 A）以及 2657A SMU（可实现更高电压，最高达 3000 V）。
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