MOSFETのVthの測定方法（SMUを使用して）

MOSFETのしきい値電圧（Vth）をSMU（Source Measurement Unit）を用いて測定する方法は、MOSFETの特性を正確に評価する上で非常に重要です。SMUは電圧を印加しつつ電流を測定できる高機能な測定器であり、MOSFETの評価に広く用いられます。

以下に、SMUを用いたVth測定の一般的な手順と、Vthを決定する方法をいくつか紹介します。

1. 測定器のセットアップ

1. SMUの接続: 一般的に、2つのSMUを使用します。

2. • SMU1: ゲート（G）とソース（S）の間に接続し、ゲート電圧（$V_{GS}$）を印加します。

   • SMU2: ドレイン（D）とソース（S）の間に接続し、ドレイン電圧（$V_{DS}$）を印加し、ドレイン電流（$I_{D}$）を測定します。

   • ソース（S）: 通常、グラウンドに接続します。

3. 測定条件の設定:

4. • VDSの設定: ドレイン電圧（$V_{DS}$）は、MOSFETが線形領域で動作するよう、比較的低い一定値に設定します（例：0.1V）。

   • $V_{GS}$の掃引: ゲート電圧（$V_{GS}$）は、MOSFETがオフ状態からオン状態になるまで、徐々に増加させます（例：-1Vから5Vまで、0.01Vステップ）。

   • 電流測定: $V_{GS}$の各ステップで、ドレイン電流（$I_{D}$）を測定します。

2. Vthの算出方法

測定によって得られた$V_{GS}$と$IDのデータから、ID - VGS特性曲線（トランスファー特性）を作成します。この曲線からVthを決定するには、いくつかの方法があります。

a) 接線法（Linear Extrapolation Method）

これは最も一般的に用いられる方法です。

1. ID - VGS曲線の立ち上がり部分（飽和領域）の最も線形な部分に接線を引きます。

2. この接線がVGS軸（ID=0）と交差する点の電圧をVthとします。

b) 定電流法（Constant Current Method）

この方法は、特にデータシートに記載されているVthの定義としてよく使用されます。

1. あらかじめ特定のドレイン電流（$I_{D}$）をVthの定義として定めます（例：$I_{D}=1\mu A$）。

2. この規定された電流値に達したときのVGSをVthとします。

c) 第二微分法（Second Derivative Method）

この方法は、より高い精度でVthを決定したい場合に用いられます。

1. ID - VGS曲線の第二次微分（$d^{2}I_{D}/dV_{GS}^{2}$）を計算します。

2. 第二次微分が最大値をとるときのVGSをVthとします。

3. その他の考慮事項

• パルス測定: 高出力デバイスでは、自己発熱による特性変化を避けるため、短時間のパルス電圧を印加して測定することがあります。多くのSMUはパルス測定機能を備えています。

• ヒステリシス: 測定前に特定のパルスを印加することで、過去のバイアス履歴による$Vthの変動（ヒステリシス）を抑制することが推奨される場合があります。

SMUは、これらの測定を自動化するためのプログラム機能や、取得したデータを解析・表示するための専用ソフトウェアと組み合わせて使用することで、効率的かつ高精度なMOSFETの特性評価を実現します。