开放式软件MeaSSUre：使用源表单元进行晶体管表征

软件X 21（2023）101318原始软件出版物MeaSSUre：I-V：使用源表单元进行晶体管表征的开放式软件Hongseok OhChang，Hyunsoo Kim，Hyerin Jo韩国崇实大学物理系和基础科学综合研究所ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2022年2023年1月8日收到修订版，2023年关 键 词 ：晶体管I-VSMUGUIFETBJTa b st ra ct尽管晶体管在现代电子学中很重要，但晶体管表征需要昂贵的仪器，许多研究人员、工程师和教育工作者负担不起。在这里，我们提出的软件，可以控制源表单元（SMU）的该软件提供了一个图形用户界面，允许用户轻松执行参数设置，实时数据绘图和数据管理。通过使用用户友好的界面同时控制多个SMU，所开发的软件为基本电气元件的表征提供了更实惠的选择，这可以有利于与电子相关的研究和教育活动。版权所有2023作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00355可复制胶囊的永久链接法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用PythonSMU仪器必须与Keithley 2400的命令兼容，6400系列。SMU仪器必须通过适当的接口和支持GPIB接口Python包：PyQt5、PyQtGraph、PyVISA、NumPy、tkinter如果可用，请链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件hoh331@gmail.com1. 动机和意义晶体管是现代电子设备的关键组成部分，从单个运算放大器到功能强大的微处理器[1]。正确表征晶体管的能力是实现基本理解的关键组成部分因此，在教育、研究和制造领域中需要。然而，即使是简单的传输特性的测量也需要多个电压源的同步控制和通过多个电压源的电流的测量通信：韩国首尔崇实大学物理系，06978。电子邮件地址：hoh@ssu.ac.kr（Hongseok Oh）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.101318不同的电极这种复杂性需要使用昂贵的半导体分析仪，并且相关的成本是晶体管相关教育、研究和生产的障碍。通常，晶体管的电特性可以通过以同步方式控制多个源仪表单元（SMU）来此外，SMU相对便宜，可以在大多数研究或教育机构中找到[2]。然而，就开源软件而言，没有提供用于配置和执行测量的用户友好界面的软件。只有商业软件或商业开发平台才能提供图形用户界面（GUI）来规划和执行测量。因此，需要购买这样的平台或软件2352-7110/©2023作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxHongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013182Fig. 1.系 统 的 总体设置。（a）测量装置示意图（b）测量系统的照片在本工作中开发的软件中，实现了基于GUI的SMU控制，使用户能够轻松地进行输出和传输特性的测量（例如场效应晶体管（FET）的测量），集电极特性（例如双极结晶体管（BJT）的测量），或两端器件（例如电阻或二极管）的简单该软件是用Python编写的，并使用了多个开源库。2. 软件描述该软件设计用于同时控制最多两个SMU。晶体管表征的整体测量设置如图所示。1.一、该系统包括一个控制PC，两个SMU的偏置和读取栅极和漏极和探针台，其中的被测器件（DUT）被放置和探测测量。SMU通过USB-GPIB转换器连接到控制PC，并安装适当的驱动程序软件以在PC和SMU之间建立连接。为了表征FET，应连接两个SMU的负输出，即the system.每个SMU的正输出连接到栅极和漏极。源极电极接地。 图 1 b显示了示例设置的照片。2.1. 软件构架图2显示了软件的架构。它由两个线程组成：主线程和I/O线程。主线程提供管理与用户交互的GUI，使用PyQt5实现。它涉及表征的所有三个阶段：参数设置、测量和后处理。在测量之前，用户可以通过GUI配置连接并选择表征类型、设置参数和数据存储位置在测量过程中，GUI显示实时数据图和SMU值。在用户完成或中止测量后，它将以逗号分隔的变量（csv）文本（文件扩展名为多个分组框组件组成GUI，用于执行特定功能，例如检查SMU的连接、设置测量参数或在测量期间绘制实时值。每个groupbox组件都在一个单独的py文件中被描述为一个类，可以灵活地更改SMU的数量和参数的数量等细节。由于GUI中多次使用类似类型的groupbox，因此这种方法减少了与代码维护相关的工作量当用户开始测量时，会创建一个I/O线程。创建主线程时，主线程根据用户输入参数执行以下功能：SMU的地址和初始化参数;DUT的源电压（或电流）列表值;以及DUT的待测量项目列表。在SMU的连接和初始化完成之后，I/O线程开始测量。它会转到第一个扫描点，偏置设备，并测量电流（或电压）值;然后将结果发送到主线程。然后移动到下一个扫描点。对所有计划的测量点执行此过程，或直到用户停止测量。测量完成后，I/O线程将被销毁。目前，最多同时使用2个SMU。然而，原则上，用于测量的SMU的数量没有限制。用户可以自由修改代码，为多通道测量添加更多SMU，如双栅极晶体管，逻辑门等。此外，通过修改源代码中的命令文本，可以使用不同的SMU模型。2.2. 软件功能测量：I-V提供以下测量选项：FET的输出特性、FET的传输特性、任何双端器件的基本 用户可以通过GUI执行测量GUI的典型快照是Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013183图二. 软 件 的架构。该软件由两个线程组成。一个主线程运行的图形用户界面，数据绘图和数据存储。I/O线程管理SMU的控制。图3.第三章。 软件GUI。（a）MeaSSUre：I-V主窗口快照。（b）描述测量顺序的流程图示于图 3 a. 对于所有类型的表征，用户在选择选项卡中选择表征类型后，测量按照以下顺序进行，这也在图中示出。 3 B.Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）101318表44输出曲线（FET）测量的参数列表组参数默认单元描述单/双扫描单扫描–单次扫描在一个方向上绘制双扫描在两个方向上绘制Vdsstart0V测量开始时的漏极电压Vds停止10V停止测量时的漏极电压。 在双扫描测量中，它是指扫描方向反转的点。Vds阶跃0.1V随着测量的进行而增加起始电压的参数。漏极偏压扫描前延迟0.1S连续扫描之间的延迟时间。设置测量设置漏极触发延迟0.1S触发事件和源接通时刻之间的延迟时间。漏源延迟0.1S源开启时刻与A/D转换之间的延迟时间引流NPLC1numberA/D转换积分时间，表示为电源线周期的倍数（从墙上提供的交流电源的周期，通常为50或60 Hz）。电流合规10E-3一限制通过SMU线性/自定义步长自定义步骤–线性步长使用Vgsstart、Vgsstop和Vgsstep。自定义步骤仅使用Vgs（start）。Vgs（start）五、十、二十、三十V测量开始时的栅极电压在自定义步骤中，它是指要检查的特定电压，逗号分隔。VGS停止10V测量停止时的栅极电压。vgs阶跃10V随着测量的进行而增加起始电压的参数。栅极偏置测量设置设置门触发延迟0.1S触发事件和源接通时刻之间的延迟时间。门源延迟0.1S源开启时刻与A/D转换之间的延迟时间门NPLC1SA/D转换积分时间，表示为电源线周期的倍数（从墙上提供的交流电源的周期，通常为50或60 Hz）。电流合规100 E-3一限制通过SMU1. SMU连接：最初，一个适当的SMU应连接到软件。位于窗口左上方的连接控制框列出了可用的SMU，并允许用户指定用于控制特定电极的SMU2. 数据位置和文件名：用户可以选择将保存测量数据的文件的位置和名称。3. 测量参数：用户可以设置测量参数进行特定的测量。下表介绍了每个参数的作用。此外，在“测量设置”下每个值的含义可以在SMU手册中找到。[3、4](a) FET：输出见表1。(b) FET：传输参见表2。(c) I-V参见表3。(d) BJT：集电极C/C见表4。4. 测量框：设置所有参数后，运行（测量类型）按钮允许用户开始测量。即使测量未完成，用户也可以随时使用中止按钮停止测量。5. 实时绘图框：记录的数据绘制在此区域。的图实时更新。对于每种类型的特性，提供了以下曲线：a. FET：输出曲线b. FET：传输Vgs曲线c. I-对数y标度的IvsVd. BJT：集电极特性Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）101318表55传递曲线（FET）测量的参数列表。扫描表3I-V曲线测量的参数列表组参数默认单位说明单次/双次扫描单次扫描双扫描在两个方向上绘制Vds开始0 V漏极电压在实验开始Vdsstop 1 V Drain voltage at which the experiment is stopped.在双扫实验，是指扫描方向反转的点。Vdsstep 0.1 V参数，当电压升高时，测量进展。扫描次数1个周期执行的扫描周期数漏极偏置设置扫描前延迟1 s连续扫描之间的延迟时间。测量设置（接下页）组参数默认单元描述单/双扫描复搜扫–单次扫描在一个方向上绘制双扫描在两个方向上绘制Vgsstart0V测量开始时的栅极电压VGS停止20V测量停止时的栅极电压。在双扫描测量中，它是指扫描方向反转的点。vgs阶跃0.2V随着测量的进行而增加起始电压的参数。栅极偏置设置前延迟1S连续扫描之间的延迟时间。测量设置门触发延迟0.1S触发事件和源接通时刻之间的延迟时间。门源延迟0.1S源开启时刻与A/D转换之间的延迟时间门NPLC1numberA/D转换积分时间，表示为电源线周期的倍数（从墙上提供的交流电源的周期，通常为50或60 Hz）。电流合规100E− 3一限制通过SMU线性/自定义步长自定义步骤–线性步长使用Vdsstart、Vdsstop和Vdsstep。自定义步骤仅使用Vds（开始）。Vds（start）5,10,20,30V实验开始时的漏极电压。在自定义步骤中，它是指要检查的特定电压，逗号分隔。Vds停止10V实验停止时的漏极电压漏极Vds阶跃10V随着测量的进行，增加起始电压的参数。偏置测量设置设置漏极触发延迟0.1S触发事件和源接通时刻之间的延迟时间。漏源延迟0.1S源开启时刻与A/D转换之间的延迟时间引流NPLC1SA/D转换积分时间，表示为电源线周期的倍数（从墙上提供的交流电源的周期，通常为50或60 Hz）。电流合规10E− 3一限制通过SMUHongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013186表3（续）。集团参数默认单元描述漏极触发延迟0.1S触发事件和源接通时刻之间的延迟时间。漏源延迟0.1S源开启时刻与A/D转换之间的延迟时间引流NPLC1numberA/D转换积分时间，表示为电源线周期的倍数（从墙上提供的交流电源的周期，通常为50或60 Hz）。电流合规10E-3一限制通过SMU表4集电极特性曲线（BJT）的参数列表组参数默认单元描述单/双单扫描–单次扫描在一个方向上绘制扫描双扫描在两个电极上绘制方向，停止值扫描两次。Vcstart0V实验开始时的集电极电压VC停止1V实验停止时的集电极电压在双扫描测量中，它表示扫描方向反转的点。Vc阶跃0.01V参数，该参数随进程进展。收集器偏置前延迟1S连续扫描之间的延迟时间。设置扫描测量设置集电极触发器0.1S触发事件和源开启之间的延迟时间延迟时刻.集电极源0.1S源开启时刻与A/D之间的延迟时间延迟转换收集器NPLC1numberA/D转换积分时间表示为电力线周期的倍数（交流的周期从墙上提供的电力，通常为50或60 Hz）。电流10E-3一当前的合规值将限制合规SMU电流线性步进/自定义步骤–线性步进使用Ib开始、Ib停止和Ib步进。自定义自定义步骤步骤仅使用Ib（开始）。Ib（开始）五、十、二十、三十µA测量开始时的基极电流。在自定义步骤，它是指一个特定的电流检查，逗号分隔。我b停10µA测量停止时的基极电流IB步10µA参数，该参数随测量进展。基极电流设置测量设置基极触发延迟0.1S触发事件和源开启之间的延迟时间时刻.基源延迟0.1S源开启时刻与A/D之间的延迟时间转换碱NPLC1numberA/D转换积分时间表示为电力线周期的倍数（交流的周期从墙上提供的电力，通常为50或60 Hz）。电压25V电压合规值将限制合规SMU提供的电压Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013187Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013188−−−±见图4。 该软件的示例。（a和b）在SiO2/Si衬底上制作的自制IGZO TFT的输出（a）和转移（b）特性。（c）第（1）款I-V(d)商用NPN BJT的集电极特性。插图解释SMU与DUT的相应连接6. 实时状态框：此框显示测量和连接的SMU的实时状态（偏置和读数）7. 系统日志框：此框显示重要事件的日志，如记录开始、记录停止或数据保存。3. 说明性实例为了测试该软件，我们对以下器件进行了表征：自制的铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜晶体管（TFT），带有串联电阻（200欧姆）的商用二极管和商用BJT。一台装有Windows 11操作系统的典型台式PC（i5-12600 CPU，16 GB DDR4 RAM）用作安装了MeSSUre：I-V的控制对于SMU，使用Keithley 6430和Keithley2400 [3 ， 4] 。 为 了 将 SMU 与 控 制 PC 连 接 ， 使 用 了 NationalInstruments GPIB-USB-HS电缆，并在控制PC上安装了NationalInstruments GPIB驱动程序该软件作为独立的可执行文件提供图图4a和图4b示出了TFT [5]。这里，Keithley 6430和2400分别用作漏极和栅极的SMU。在输出曲线中，以20 V的步长施加20至100 V的离散Vgs值，以1 V的步长从1至40 V扫描Vds，并绘制相应的Ids和Igs观察到输出曲线的典型形状，其中观察到Ids在小Vds值处线性增加，然后抛物线增加并最终达到饱和。Igs值大约是当使用0.1的NPLC时为10−8 A，这可以在以后改进如果采用1或更高整数的NPLC在转移曲线中，对于不同的Vds值1、10、20、30和40 V，以2 V的步长从100 V扫描到100 V。阈值电压接近10 V，Imax/Imin比值大于106。双扫描揭示了顺时针滞后，这是典型的大多数TFT。亚阈值斜率和滞后宽度在40 V的Vds被发现是约10 V/dec和2 V，分别。总体看软件成功表征了IGZO TFT（一种代表性FET）。图图4c示出了针对二极管（1 N4004）和串联电阻器（200欧姆）记录的I-V曲线，其中电压从 5 V至5 V。可以清楚地观察到典型的整流行为。 左侧的线性曲线图显示了约0.5 V的阈值电压和线性增加的正向电流。右侧的半对数图证实了纳安量级的低正向电压VF经计算为0.67 V。这些特性与器件制造商提供的说明书中描述的参数一致[6，7]。测得的VF小于数据手册中的值，这可能是由于在测量中使用了约0.02 A的小得多的电流，而在测量中使用约1 A来确定VF。- 是的图图4d显示NPN BJT（BD137）的集电极特性或输出曲线。对于5、10、20和30µ A的不同Ib值，以10 mV的步长从0到1 V扫描Vc，并测量相应的Ic电流在小的Vc值处线性增加，并且在取决于Ib的一定水平处饱和。四条曲线的平均电流增益（β）计算为约178（1.78）V。[8]《易经》中的卦通过与商用半导体参数分析仪的对比试验，验证了基于MeaSSUre：I-V 的系统的准确性为此，我们使用带有SMU的MeaSSUre：I-V和半导体参数分析仪（Keithley 4200 A-SCS）测量了商用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的传输特性和NPN-BJT的集电极特性曲线，并对结果进行了比较。图图5a示出了通过商业设备（黑色）和MeaSSUre：I-V（红色）测量的MOSFET器件的转移曲线。数据彼此完全匹配，即使在亚阈值水平。 图图5 b显示了NPN- BJT的集电极特性曲线，集电极上有一个100 ▲的串联电阻。的Hongseok Oh，Hyunsoo Kim和Hyerin Jo软件X 21（2023）1013189图五、 与商用设备相比。（a）测试MOSFET器件的传输特性，由商用设备（黑色）和我们的MeaSSUre：I-V（红色）设置测量方形、圆形和菱形符号分别表示漏极偏压为10、20和30 V时的曲线（b）集电极特性曲线通过商用设备（黑色）和我们的MeaSSUre：I-V（红色）设置测量的商用NPN BJT的。方形、圆形和菱形符号分别代表基极电流为10、20和30µ A的曲线负载电阻器（100▲）连接到BJT的集电极通过从集电极侧的电源电压中减去串联电阻器两端的电压降来提取集电极-发射极电压同样，来自不同设置的两个结果彼此匹配，表明与市售半导体分析仪相比，MeaSSUre：I-V给出了合理4. 影响在晶体管表征中，用户友好的界面可以帮助研究人员节省配置测量的时间，使他们能够专注于器件特性。在这个程序中，我们专注于开发一个GUI，允许用户轻松地设置与SMU的连接，指定测量类型，使用非冻结GUI实时绘制数据并轻松保存数据。据我们所知，这些功能仅由商业软件提供。因此，这项工作可以使那些希望在没有专用仪器的情况下，但在低成本表征设置中使用通用SMU来表征晶体管的研究人员受益。此外，源代码是开放的，允许用户根据需要修改代码，以执行其独特应用程序的特定操作。总的来说，这项工作将降低获得I-V测量系统的门槛5. 结论本文介绍了MeaSSUre：I-V软件。它提供了一个基于GUI的平台，允许用户轻松地对FET、BJT或双端器件进行充电。该程序被证明可以测量不同的器件，包括FET、BJT或二极管，使用2400和6400系列吉时利SMU， USB-GPIB连接器。用户可以灵活调整扫频范围，定期或自定义偏置值和单或双扫描选项。测量精度和延迟时间是用户可配置的。记录是实时绘制和自动保存到选定的位置作为一个屏幕截图更好的数据管理。我们期望该软件将使研究人员能够使用标准SMU仪器以具有成本效益的方式加速他们的电子研究。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性数据将根据要求提供。致谢这项工作得到了韩国国家研究基金会的支持，该基金会由科学和 信 息 通 信 技 术 部 以 及 教 育 部 资 助 ， 2022R1F1A1072437 和2021R1A6A1A10044154。引用[1]施SM，吴KK。半导体器件物理学Wiley; 2006.[2]布奇基奥E，DeAngelis一、SantoniF、P.卡本SoftwareX2022;18：101075.[3] 2400系列源表用户2015年。[4] 6430型亚毫微微安培远程源表参考手册。2021年[5]Lee Y，Jo H，Kim K，Yoo H，Baek H，Lee DR，Oh H.应用物理快报2022;15：061005。[6]关于半导体。2021年[7]摄影机F，公司I。二极管数据手册。Fairchild; 1978.[8]关于半导体。2013年。