李 璐 杨丽娟 杨 阳
(南京工业大学先进材料研究院,南京 210009)
半导体特性分析系统可检测二极管、三极管、MOS管等半导体器件的伏安(I-V)特性、电容-电压(C-V)特性、电容-频率(C-F)特性、准静态脉冲伏安(PIV-Q)特性、应力特性等[1-4],在半导体技术、有机光电子学等教学、科研及企业技术研发等领域都是非常实用的基础工具。掌握该系统的基本测试功能和常见故障排除技能、开发创建新的测试功能等才能更好的服务于教学、科研及地方科技发展。
半导体特性分析系统由Keithley4200-SCS半导体分析仪与能够屏蔽光线和电磁干扰的真空探针台组成。Keithley4200-SCS自带KITE交互式多功能测试软件,并能实时绘图与分析测试结果,加速和简化了获取数据的过程。其模块化结构,配置非常灵活,可支持中等功率4200-SMU(0.1A/2W)和高功率4210-SMU(1A/20W)的4个SMU源测量单元;前置放大器模块可以有效地减少长电缆所产生的噪声,增强信号的电压幅度,提高测试精度;4210-CVU电容电压测量单元和4225-PMU 超快I-V测量单元[5,6],可根据不同器件的测试需求自动切换。带有显微镜系统的防震真空探针台的连接,扩大了测试器件的种类并提高了测试点的接触精度。
半导体特性分析系统是多功能交互测试系统,适用于多种半导体器件的电学性能研究[6-9]。因此,其使用者研究方向不同,功能需求也不同。考虑到学生的上机安全、仪器的运行质量、新功能探索等因素,本院在培训此仪器时,坚持以实验教学模式开展,从理论学习到案例式实践,尽可能让学生全面了解该仪器,并充分利用该仪器丰富其科研成果。
理论培训环节,首先是安全教育,要求学生认真学习本院制定的《公共仪器安全操作规程》、《实验室应急预案》(具体内容不再赘述)及本仪器的安全使用要求,例如,不能随意插拔电源插座;仪器工作过程中不能插拔电缆、不能用手直接触摸电缆接头、探针;每次测试前检查电缆、测试引线等是否正确连接、是否有磨损等。其次是仪器的基本结构和功能介绍,包括半导体分析仪的黑色三芯电缆、红色SMA电缆和白色SMA电缆分别如何连接SMU单元、CVU单元、PMU单元;开关机步骤、测试界面介绍、工具栏各图标功能、项目导航中各类器件对应的测试类型及意义、参数设置的考量因素;如何进行单次测试、对比测试、多次循环测试、如何创建新的测试项目、如何连接探针等。最后,简单介绍各类半导体器件的基本工作原理,常规测试曲线及意义,同时要求学生课后自行学习相关知识,为上机培训奠定理论基础。
实验技术人员提前准备二极管、三极管、MOSFET、电阻、电容器标准器件,上机培训时,参照标准器件型号,搜索查找相应数据表,现场教学生如何设置参数,如何得到标准曲线。另外,现场讲解展示操作步骤过程中穿插讲解器件工作原理,理论与实践相结合才能更好的理解操作步骤。操作展示结束后,要求每位学生都全程操作一遍各器件的测试流程,并能简单进行数据分析处理。在上机操作过程中,要求学生掌握如何通过改变测试参数得到更理想的测试结果、遇到小的故障知道如何处理等。
理论培训和上机操作后一个月内,学生应积极主动练习不低于4次,练习操作可以使用标准器件和课题组做的器件,练习过程中遇到问题及时反馈并做好记录,熟练操作后可以申请考核。考核是案例考核和现场提问相结合的方式。实验技术人员提前调研准备好各课题组的器件样品备用,每个学生采用自己课题组的一种器件,并随机抽取一种非本课题组的器件进行测试。测试过程中考察学生电缆的连接、探针台的使用、参数的设置、一般故障的诊断等。
本半导体特性分析系统纳入了南京工业大学大型仪器设备开放共享管理平台,按照“专管通用,资源共享”原则进行维护管理,所有使用者必须遵照开放平台《仪器设备使用管理总则》、《公共仪器安全操作规程》、《实验室应急预案》及本仪器的具体使用规范。
(1)制定了《Keithly4200半导体特性分析系统操作规程》,包括仪器基本构件和连接方法、操作步骤、常见故障诊断及排除方法等。
(2)要求学生培训前提交《开放平台仪器设备培训申请表》,考核通过后,给予开通门禁系统和使用预约系统。
(3)学生使用前必须在仪器测试管理平台进行预约,并严格按照预约时间测试,超过预约时间双倍收费。测试结束后及时整理台面,保持室内卫生,并在使用记录本上登记测试类型、样品数、仪器运行情况、实验室卫生、安全情况等。
(1)半导体特性分析系统要在洁净无尘、温度适宜环境中才能良好运行。因此,本仪器室要保持干净卫生,同时也要定期清理仪器排气孔和风扇上的灰尘。如遇梅雨季节或放假期间长时间不用,要注意室内除湿;夏季温度较高时使用,要注意室内开空调降温。
(2)如果在仪器里创建了新的测试项目或者有新单元接入,要及时通过KON进行自检。
(3)定期用标准器件对仪器进行校正、维护,或邀请工程师上门校准、检修,发现问题及时反馈处理。校正、维修记录及时归档。
(4)实验技术人员要肯于投入精力深入研究仪器相关功能,才能更好的维护保障仪器运行。
半导体分析系统功能十分强大,在存储、电池等半导体研究领域使用非常普遍。作者结合自己的工作经验,探讨了该仪器的培训方案,从理论到实践,切实让学生感受到培训的意义,以期对其科研工作有所帮助和启发。同时,总结了该仪器的维护管理经验,保障仪器的安全、高效运行,更好的发挥其在科技创新中的服务和支撑作用。