CN111398855A - 一种mos器件漏电流瞬态采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS器件漏电流瞬态采样装置及方法。所述装置包括MOS漏极电流测试电路和MOS漏极电流计算电路，MOS漏极电流测试电路与被测MOS器件的漏极相连，且其输入端接收外部输入的漏极电压Vd，根据该漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo；MOS漏极电流计算电路与MOS漏极电流测试电路的输出端双向连接，根据收到的漏极电流信号Vo和被测MOS器件的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级，且根据收到的漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。本发明可以在保证漏电流分辨率的同时，测试多种纳安到微安级别漏电流的MOS器件，测试电路成本低。

Description

一种MOS器件漏电流瞬态采样装置及方法

技术领域

本发明属于MOS晶体管技术领域，具体涉及一种MOS器件漏电流瞬态采样装置及方法。

背景技术

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，即金属-氧化物-半导体)晶体管广泛应用于半导体芯片中，是芯片的核心基石。MOS晶体管其漏电流参数会影响芯片的静态功耗、噪声，产生结构缺陷。晶体结构缺陷是影响半导体材料器件电学特性和工作性能的关键参数，晶体管对外界条件的变化非常敏感，比如压力、荷载、辐照等都会明显的改变结构缺陷的数量和分布，而结构缺陷的数量和分布对材料的性能具有重要的影响。

传统测试MOS漏电流，是采用仪器测试装置，但是其存在测试时间长，利用率低，且成本高等缺陷。

如何提供一种简单有效且测试时间短的MOS漏电流测试方案，是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种MOS器件漏电流瞬态采样装置及方法，从而克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种MOS器件漏电流瞬态采样装置，包括：

MOS栅极瞬态电压发生器，与被测MOS器件的栅极相连，用于输出一瞬态脉冲信号给被测MOS器件的栅极；

MOS漏极电流测试电路，其与所述被测MOS器件的漏极相连，且其输入端接收外部输入的漏极电压Vd，用于根据所述漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo；

MOS漏极电流计算电路，其与所述MOS漏极电流测试电路的输出端双向连接，用于根据收到的所述漏极电流信号Vo和被测MOS器件的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级，且用于根据收到的所述漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

在一优选实施例中，所述MOS栅极瞬态电压发生器由外部控制器以控制指令方式，输出电压幅值为Vg、频率为Fg的瞬态脉冲信号给被测MOS器件的栅极。

在一优选实施例中，所述MOS漏极电流测试电路包括MOS漏电流采样电路和模拟量多路复用器，所述模拟量多路复用器与MOS漏电流采样电路内部信号连接，且所述模拟量多路复用器的输入端接入所述漏极电压Vd，输出端输出所述漏极电流信号Vo且与MOS漏极电流计算电路相双向连接。

在一优选实施例中，所述MOS漏电流采样电路包括多路漏电流采样单元，每一路漏电流采样单元对应通过一个漏电压开关与被测MOS器件的漏极相连。

在一优选实施例中，所述每一路漏电流采样单元均包括一运算放大器，所述运算放大器的反相输入端通过对应的所述漏电压开关接被测MOS器件的漏极，同相输入端输入由模拟量多路复用器输入的一路漏极电压。

在一优选实施例中，所述模拟量多路复用器包括漏极电压多路复用模块和漏极电流信号多路复用模块，所述漏极电压多路复用模块接所述漏极电压Vd，用于根据所述MOS漏极电流计算电路的控制，选择一路漏极电压输出；所述漏极电流信号多路复用模块输出所述漏极电流信号Vo，用于根据所述MOS漏极电流计算电路的控制，选择一路漏极电流输出。

在一优选实施例中，所述漏极电压多路复用模块包括多路漏极电压信号通道，所述漏极电流信号多路复用模块包括多路漏极电流信号通道，所述漏极电压信号通道与漏极电流信号通道一一对应。

在一优选实施例中，所述MOS漏极电流计算电路将所述漏极电流信号Vo与其内预设的漏极电压最大阈值Vmax和最小阈值Vmin相比，控制所述MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级。

在一优选实施例中，若当检测到所述漏极电流信号Vo超出最大阈值Vmax时，则控制MOS漏极电流测试电路切换到大一个数量级的电流采样；当检测到所述漏极电流信号Vo小于最小阈值Vmin时，则控制MOS漏极电流测试电路切换到小一个数量级的电流采样；当检测到输出漏极电流信号Vo大于最小阈值Vmin且小于最大阈值Vmax时，则根据所述漏极电流信号Vo计算被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

在一优选实施例中，所述瞬态漏电流值Id基于基尔霍夫电流定律计算。

本发明采用的另一技术方案包括：一种MOS器件漏电流瞬态采样方法，所述方法包括：

S100，所述MOS栅极瞬态电压发生器输出一瞬态脉冲信号给被测MOS器件的栅极；

S200，所述MOS漏极电流测试电路接收外部输入的漏极电压Vd，根据所述漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo；

S300，所述MOS漏极电流计算电路根据收到的所述漏极电流信号Vo和被测MOS器件的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级，且用于根据收到的所述漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：本发明简单有效的实现了对MOS器件的漏电流瞬态采样，并且可以在保证漏电流分辨率的同时，测试多种纳安到微安级别漏电流的MOS器件，测试电路成本低，对于提高芯片晶体管的电学性能具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施方式中MOS器件漏电流瞬态采样装置的电路示意图；

图2是本发明MOS器件漏电流采样电路的电路示意图；

图3是本发明第一路漏电流采样单元的电路示意图；

图4是本发明模拟量多路复用电路的功能示意图；

图5是本发明MOS器件漏电流瞬态采样电路工作流程示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明所揭示的一种MOS器件漏电流瞬态采样装置，通过采样及计算得到MOS器件瞬态漏电流值Id，如图1所示，其包括被测MOS器件1、MOS栅极瞬态电压发生器2、MOS漏极电流测试电路3和MOS漏极电流计算电路4。

其中，MOS栅极瞬态电压发生器2的输入端接外部控制器(图中未示出)，由外部控制器以控制指令方式输入栅极电压Vg及栅极频率Fg；其输出端与被测MOS器件1的栅极G相连，根据输入端输入的所述栅极电压Vg及栅极频率Fg，输出电压幅值为Vg、频率为Fg的瞬态脉冲信号给被测MOS器件1的栅极G。

MOS漏极电流测试电路3与被测MOS器件1的漏极D相连，且其输入端接收外部输入的漏极电压Vd，用于根据所述漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo。本实施例中，如图1所示，MOS漏极电流测试电路3具体包括MOS漏电流采样电路5和模拟量多路复用器6，其中，模拟量多路复用器6与MOS漏电流采样电路5内部信号连接，且模拟量多路复用器6的输入端接入上述由外部控制器输入的漏极电压Vd，输出端输出上述漏极电流信号Vo且与MOS漏极电流计算电路4相双向连接。

具体地，本实施例中，结合图1和图2所示，MOS漏电流采样电路5包括多路漏电流采样单元，每一路漏电流采样单元对应通过一个漏电压开关与被测MOS器件1的漏极D相连，本实施例中，MOS漏电流采样电路5包括四路漏电流采样单元，分别定义为：第一路漏电流采样单元7、第二路漏电流采样单元8、第三路漏电流采样单元9和第四路漏电流采样单元10，对应的四路漏电压开关分别为Vd_J1、Vd_J2、Vd_J3、Vd_J4，也就是说，漏电压开关Vd_J1闭合时，第一路漏电流采样单元7与被测MOS器件1的漏极D相连，同理，漏电压开关Vd_J2闭合时，第二路漏电流采样单元8与被测MOS器件1的漏极D相连，以此类推。在其他可替换实施例中，MOS漏电流采样电路5不限于这里的四路漏电流采样单元，两路以上的漏电流采样单元均适用本发明。

四路漏电流采样单元的结构相同，每一路漏电流采样单元均包括一运算放大器U，其中，运算放大器U的反相输入端通过对应的漏电压开关接被测MOS器件1的漏极D，同相输入端输入由模拟量多路复用器6输入的一路漏极电压：Vd1、Vd2、Vd3或Vd4。在一具体实施例中，如图3所示，第一路漏电流采样单元7包括第一运算放大器U1、第一电阻R1和第二电阻R2，其中，第一运算放大器U1的同相输入端接入漏极电压Vd1，反相输入端通过漏电压开关Vd_J1与被测MOS器件1的漏极相连，且通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的输出端相连，通过第一电阻R1接地，第一运算放大器U1的输出端输出漏极电流信号Vo1。

本实施例中，四路漏电流采样单元分成四个不同漏电流范围进行采样，可进行四种不同漏电流范围的采样，例如100nA～1uA、1uA～10uA、10uA～100uA、100uA～1mA。在其他实施例中，采样范围并不局限于此，可通过采样电阻调节。

本实施例中，如图4所示，模拟量多路复用器6包括漏极电压多路复用模块11和漏极电流信号多路复用模块12，其中，漏极电压多路复用模块11包括四路漏极电压信号通道，分别为漏极电压Vd与漏极采样电压Vd1相连的通道、漏极电压Vd与漏极采样电压Vd2相连的通道、漏极电压Vd与漏极采样电压Vd3相连的通道和漏极电压Vd与漏极采样电压Vd4相连的通道。与漏极电压多路复用模块11相对应的，漏极电流信号多路复用模块12包括四路漏极电流信号通道，分别为漏极电流信号Vo与漏极采样电流Vo1相连的通道、漏极电流信号Vo与漏极采样电流Vo2相连的通道、漏极电流信号Vo与漏极采样电流Vo3相连的通道和漏极电流信号Vo与漏极采样电流Vo4相连的通道。漏极电压多路复用模块11用于根据MOS漏极电流计算电路4的控制，选择Vd1～Vd4中的一路输出；漏极电流信号多路复用模块12用于根据MOS漏极电流计算电路4的控制，选择Vo1～Vo4中的一路输出。其中，如果漏极电压Vd与Vd1相连的通道导通，则对应漏极电流信号Vo与Vo1相连的导通，以此类推，即漏极电压信号通道与漏极电流信号通道是一一对应。

MOS漏极电流计算电路4与MOS漏极电流测试电路3的模拟量多路复用器6双向连通，用于根据收到的所述漏极电流信号Vo和被测MOS器件1的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路3的漏电流采样数量级，且用于根据收到的所述漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件1的瞬态漏电流值Id。具体地，结合图5所示，MOS漏极电流计算电路4接收模拟量多路复用器6输出的漏极电流信号Vo，将该漏极电流信号Vo与其内预设的漏极电压最大阈值Vmax和最小阈值Vmin相比，若当检测到输出漏极电流信号Vo超出阈值Vmax时，则控制模拟量多路复用器6切换到大一个数量级的电流采样；当检测到输出漏极电流信号Vo小于阈值Vmin时，则切换到小一个数量级的电流采样；当检测到输出漏极电流信号Vo大于最小阈值Vmin且小于最大阈值Vmax时，则根据此时输出漏极电流信号Vo通过FPGA/CPLD进行被测MOS器件1的实际漏电流计算，并根据实际的电流偏差进行漏电流瞬态补偿，得到瞬态漏电流值Id。本实施例中，电流值Id的计算方式基于基尔霍夫电流定律，如图3所示，根据图3中箭头所示的电流方向，Id＝-Io-Ir1-Ir2，其中Io、Ir1、Ir2分别为流经第一运算放大器U1、电阻R1和电阻R2的电流，Io约为0，则Id＝-Vd1/R1-(Vd1-Vo1)/R2，Vd1、Vo1分别为第一路漏电流采样单元7的输入电压和输出电压。若补偿电流为Ic，则Id＝-Vd1/R1-(Vd1-Vo1)/R2+Ic。

另外，经多次有效计算，可得瞬态漏电流平均值Ida与栅极电压Vg、漏极电压Vd的关系表。

本发明以上实施例提供的一种MOS器件漏电流瞬态采样装置可以简单有效的实现MOS器件漏电流瞬态采样，且能够测试多种纳安到微安级别漏电流的MOS器件，更广泛的适用于低成本MOS晶体管测试场合。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于，包括：

MOS栅极瞬态电压发生器，与被测MOS器件的栅极相连，用于输出一瞬态脉冲信号给被测MOS器件的栅极；

MOS漏极电流测试电路，其与所述被测MOS器件的漏极相连，且其输入端接收外部输入的漏极电压Vd，用于根据所述漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo；

MOS漏极电流计算电路，其与所述MOS漏极电流测试电路的输出端双向连接，用于根据收到的所述漏极电流信号Vo和被测MOS器件的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级，且用于根据收到的所述漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

2.根据权利要求1所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述MOS漏极电流测试电路包括MOS漏电流采样电路和模拟量多路复用器，所述模拟量多路复用器与MOS漏电流采样电路内部信号连接，且所述模拟量多路复用器的输入端接入所述漏极电压Vd，输出端输出所述漏极电流信号Vo且与MOS漏极电流计算电路相双向连接。

3.根据权利要求2所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述MOS漏电流采样电路包括多路漏电流采样单元，每一路漏电流采样单元对应通过一个漏电压开关与被测MOS器件的漏极相连。

4.根据权利要求3所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述每一路漏电流采样单元均包括一运算放大器，所述运算放大器的反相输入端通过对应的所述漏电压开关接被测MOS器件的漏极，同相输入端输入由模拟量多路复用器输入的一路漏极电压。

5.根据权利要求2所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述模拟量多路复用器包括漏极电压多路复用模块和漏极电流信号多路复用模块，所述漏极电压多路复用模块接所述漏极电压Vd，用于根据所述MOS漏极电流计算电路的控制，选择一路漏极电压输出；所述漏极电流信号多路复用模块输出所述漏极电流信号Vo，用于根据所述MOS漏极电流计算电路的控制，选择一路漏极电流输出。

6.根据权利要求5所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述漏极电压多路复用模块包括多路漏极电压信号通道，所述漏极电流信号多路复用模块包括多路漏极电流信号通道，所述漏极电压信号通道与漏极电流信号通道一一对应。

7.根据权利要求1所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述MOS漏极电流计算电路将所述漏极电流信号Vo与其内预设的漏极电压最大阈值Vmax和最小阈值Vmin相比，控制所述MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级。

8.根据权利要求7所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：若当检测到所述漏极电流信号Vo超出最大阈值Vmax时，则控制MOS漏极电流测试电路切换到大一个数量级的电流采样；当检测到所述漏极电流信号Vo小于最小阈值Vmin时，则控制MOS漏极电流测试电路切换到小一个数量级的电流采样；当检测到输出漏极电流信号Vo大于最小阈值Vmin且小于最大阈值Vmax时，则根据所述漏极电流信号Vo计算被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

9.根据权利要求8所述的MOS器件漏电流瞬态采样装置，其特征在于：所述瞬态漏电流值Id基于基尔霍夫电流定律计算。

10.基于权利要求1-9中任一项所述MOS器件漏电流瞬态采样装置的采样方法，其特征在于，所述方法包括：

S100，所述MOS栅极瞬态电压发生器输出一瞬态脉冲信号给被测MOS器件的栅极；

S200，所述MOS漏极电流测试电路接收外部输入的漏极电压Vd，根据所述漏极电压Vd，输出采样得到的漏极电流信号Vo；

S300，所述MOS漏极电流计算电路根据收到的所述漏极电流信号Vo和被测MOS器件的漏电流级别控制MOS漏极电流测试电路的漏电流采样数量级，且用于根据收到的所述漏极电流信号Vo计算得到被测MOS器件的瞬态漏电流值Id。

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