MOS管(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的閾值電壓(Vth)是表征其導(dǎo)通特性的核心參數(shù)，直接影響電路的開關(guān)效率與功耗。準(zhǔn)確測量Vth需結(jié)合理論定義、測試電路設(shè)計及工具選擇，以下從原理、方法與優(yōu)化三個維度展開分析。

一、閾值電壓的定義與理論模型

閾值電壓定義為當(dāng)柵源電壓(Vgs)達到某一臨界值時，漏極電流(Id)開始顯著流動的電壓點。

二、測試方法與電路設(shè)計

轉(zhuǎn)移特性曲線法

通過掃描Vgs并記錄Id變化，繪制Id-Vgs曲線，Vth對應(yīng)Id達到特定閾值(如250μA)時的Vgs值。測試電路需滿足：

漏極電壓(Vds)固定(如5V)，以消除輸出特性干擾;

柵極驅(qū)動采用可調(diào)電源(如DAC模塊)，步進精度需達0.1V;

電流檢測使用低阻值采樣電阻(如1kΩ)與高精度ADC，確保Id測量誤差<1%。

例如，IRF540N MOS管的典型Vth為2-4V，測試時需在Vgs=1.5V至5V范圍內(nèi)逐步掃描，直至Id穩(wěn)定在250μA。

輸出特性曲線法

固定Vgs后掃描Vds，觀察Id-Vds曲線從線性區(qū)過渡到飽和區(qū)的拐點。此方法適用于驗證Vth的一致性，但需結(jié)合轉(zhuǎn)移曲線法以提高精度。

自動化測試系統(tǒng)

采用源測量單元(SMU)與LabVIEW軟件，實現(xiàn)Vgs自動步進與Id實時監(jiān)測。例如，通過分段掃描法(粗掃5V步進+精掃0.1V步進)定位電流突變區(qū)間，再通過曲線擬合確定Vth拐點。某研究顯示，自動化系統(tǒng)可將測試時間從30分鐘縮短至2分鐘，同時將重復(fù)性誤差控制在±0.05V以內(nèi)。

三、優(yōu)化實踐與誤差控制

工藝優(yōu)化

通過降低柵氧厚度(如從100nm減至50nm)或減少界面態(tài)電荷(如采用原子層沉積工藝)，可將Vth從4V降至2V，顯著提升開關(guān)速度。

溫度補償

Vth隨溫度升高而降低(約-2mV/℃)，需在測試環(huán)境中集成溫度傳感器(如DS18B20)，并通過算法修正溫漂。例如，在85℃高溫下，Vth可能比25℃時低0.3V，需通過軟件校準(zhǔn)確保測量準(zhǔn)確性。

靜電防護

MOS管對靜電敏感(擊穿電壓通常<20V)，測試前需將引腳短接放電，并使用防靜電手腕帶。某案例中，未防護導(dǎo)致Vth測量值偏移0.8V，引發(fā)電路誤觸發(fā)。