MOSFET I–V 测试与参数分析：转移曲线、输出曲线、阈值电压及迁移率

MOSFET I–V 测试能够测量什么？

MOSFET电学表征通常从转移特性（ID–VGS）与输出特性（ID–VDS）开始。转移特性用于观察在指定漏源偏压下，栅源电压如何调制漏极电流；输出特性用于观察不同栅压下，漏源电压与漏极电流的关系。半导体参数分析仪通过源测量单元（SMU）对多个端子施加偏置并记录电流、电压，再由测量数据提取阈值电压Vth、跨导gm、亚阈值摆幅SS 和开关电流比等指标。

这些指标并非全部为仪器直接测量值。实际记录的是端口电压、电流以及相应偏置与时间条件；Vth、gm、SS和场效应迁移率需要结合数学定义或器件模型处理。本文以增强型n 沟道MOSFET 为例，并讨论二维材料FET 的接触电阻问题。

图1. MOSFET多端 I–V测试示意。端子连接应以具体器件结构及体端偏置要求为准。

1. 转移曲线ID–VGS：如何提取阈值电压和跨导？

测试时保持漏源电压VDS 不变，扫描栅源电压VGS 并记录ID。对增强型n 沟道器件，随着VGS 增大，沟道逐渐导通，ID通常上升。曲线形状不仅与器件结构有关，也受VDS、温度、扫描方向与测量时序影响。

跨导 gm为指定工作点附近的漏电流对栅压的导数：

gm = ∂ID/∂VGS | VDS

实际处理可采用相邻点差分或局部拟合。比较最大跨导时，应同时报告数据处理方法、偏置和电流范围。

阈值电压Vth 应先确定提取方法。例如恒流法将ID 到达指定参考电流Iref 的栅压定义为Vth；线性外推法则采用另一组曲线处理规则。不同参考电流或不同外推条件可能得到不同阈值数值，不宜只比较最终的Vth 而忽略测试定义。

图2. 恒流阈值与局部跨导位置示意。Vth是按指定Iref 提取的结果，曲线为示意数据。

2. 亚阈值摆幅SS 和开关比如何分析？

半对数ID–VGS 曲线有助于显示低电流区域。亚阈值摆幅SS 可写成：

SS = dVGS/d(log10|ID|)

通常以mV/dec 表示，应从适当的近似线性亚阈值区段提取，而不是跨越全部门压范围拟合。SS可能受栅控效率、界面响应、温度、漏电流与测量噪声影响。

开关电流比Ion/Ioff 则应在事先指定的导通与关断偏置点计算。不同VGS、VDS或等待时间会改变结果；当Ioff 接近仪器有效噪声水平时，必须检查量程、栅漏电流与重复性。

图3. SS提取与开关电流比示意。低电流区数据及取值条件应一并报告。

3. 输出曲线ID–VDS：线性区和饱和区如何判别？

固定一组栅源偏置，分别扫描VDS，能够得到不同VGS 对应的ID–VDS 曲线族。经典长沟道MOSFET 在较低VDS 区间可表现为近似线性增长，在较高VDS 区间趋于饱和。但实际器件可能受到沟道长度调制、短沟道效应、接触电阻及自热的影响，饱和区斜率不一定为零。

图4. 理想长沟道MOSFET 输出特性示意，不代表所有实际器件都能达到完全饱和。

在经典渐变沟道模型下，且忽略接触等寄生因素，线性区电流可近似表示为：

ID ≈ μCox(W/L)[(VGS−Vth)VDS−VDS²/2]

其中 Cox是单位面积栅电容，W和 L是有效沟道宽度与长度。上述关系强调电流不仅取决于迁移率，还受栅电容、沟道几何尺寸和偏置影响。

4. 场效应迁移率：为什么二维FET 不能只看转移曲线？

在线性区、小VDS 等近似条件下，常见的表观场效应迁移率提取式为：

μFE,ext ≈ [L/(WCoxVDS)] × gm

这个表达式要求所用栅电容、几何尺寸与模型假设适用于被测器件。对于MoS₂、WSe₂等二维半导体FET，源漏金属接触可能形成较大阻抗或注入势垒，使两端总电阻同时包含沟道和接触贡献。接触电阻还可能随栅压变化，进一步影响gm 及迁移率提取。

图5. 源漏两端测量含接触电阻，TLM可在相应假设成立时用于估算接触贡献。示意数据，非实测结果。

2024 年发表于npj 2D Materials and Applications的研究指出，栅压相关接触电阻可能使传统迁移率提取发生明显偏差，并提出改进的参数提取方法。实际报告中，建议将“两端表观场效应迁移率”和经过独立接触校正的沟道参数分开陈述；必要时增加TLM 或四端测量。TLM的使用还需要控制器件宽度、接触和沟道均匀性等条件。

5. 为什么正反向扫描会出现迟滞？

在正反向扫描相同的VGS 范围时，ID–VGS曲线可能出现偏移或形状变化。该现象可能与界面电荷俘获、环境吸附、移动离子、极化及偏置历史有关。迟滞大小通常随扫描速率、每点等待时间、温度和环境条件变化，因此仅凭曲线不重合不能判定唯一机理。

图6.　正反向转移曲线迟滞示意。分析时应保留扫描速率、等待时间和预偏置条件。

6. MOSFET I–V 测量的关键设置

可靠数据通常需要控制以下条件：确认源、漏、栅和体端接线；设置器件允许的安全偏置和电流限制；分别记录VGS 与VDS 扫描范围及步长；统一积分时间、每点延迟和扫描方向；在低电流区检查量程和IG；保留原始电流数据，以及Vth、SS、gm和迁移率的提取规则。

若测试在电流顺从限制下发生限流，或明显受探针接触和测量噪声影响，相关数据不宜用于普通模型参数提取。对于二维FET、氧化物TFT 等新型器件，分析结果还应说明接触电阻、栅电容和迟滞对解释的影响。

7. 相关设备

FluxDancer是一款模块化半导体参数分析仪，用于先进器件的低噪声直流、CV、阻抗、快速脉冲和噪声测试。系统融合SMU、电流表、电压表、LCR表及开关矩阵，主要用于建立统一、可扩展的电学表征测量流程。适用于FET、BJT、太阳能电池、发光器件及功率器件研发。宽禁带半导体、功率器件、低维晶体管和新型存储器件要求同时测量静态IV、CV、低频噪声、快速脉冲与偏压应力。FluxDancer适合研究接触电阻、陷阱态、迟滞、自热效应和可靠性退化，并支持按课题增加通道与测量模块。

(1) 支持IV、CV、阻抗、噪声、IV-t、4PP及多类器件专用测试。

(2) 电流分辨率达到10 fA（弱电流分辨能力达0.1fA）、电压分辨率达到100 nV，电压范围-200 V至200 V。

(3) 支持1.8 MS/s高速采集、±3 A脉冲电流以及Super-PIV（50 μs-ns级高速模块）等快速脉冲测量。

(4) 支持Solar cell、FET、BJT、EL、1/f噪声等应用流程，可按通道和功能模块扩展。

(5) 应用软件可针对FET、BJT、太阳能电池、EL进行系统测试，减少重复编程和人工换线。

FluxDancer

产品链接：https://www.orientalspectra.com/ProductDetail/10967909.html

参考资料

[1] Keysight, Best Practices for IV Characterization:来源链接：www.keysight.com.cn.

[2] Keithley/Tektronix, 4200A-SCS Parameter Analyzer User Manual:来源链接：device.report.

[3] Keysight, How to Characterize MOSFET Output IV Curves:来源链接：www.keysight.com.

[4] On the MOSFET Threshold Voltage Extraction..., IEEE Transactions on Electron Devices (2011): 来源链接：doi.org.

[5] Mobility and threshold voltage extraction in transistors with gate-voltage-dependent contact resistance, npj 2D Materials and Applications (2024): 来源链接：www.nature.com.

[6] Contact engineering for two-dimensional van der Waals semiconductors, Materials Today Electronics (2025):来源链接：www.sciencedirect.com.

[7] Hysteresis Engineering in 2D Field-Effect Transistors, Small Methods (2026): 来源链接：onlinelibrary.wiley.com

[8] 东谱科技, FluxDancer E900: 来源链接：www.orientalspectra.com.