Konzeptionierung und Entwicklung einer Hochspannungs Source-Measurement-Unit

Abstract

Die fortschreitende Entwicklung moderner Halbleitertechnologien stellt wachsende Anforderungen an die Genauigkeit hochspannungsbasierter Charakterisierungsmethoden, etwa unter Verwendung von High Voltage Source-Measurment-Units (HV-SMUs). Sie stellen essenzielle Werkzeuge für die präzise Charakterisierung von Transistoren während ihrer Entwicklungsphase dar, indem sie das elektrische Verhalten unter realitätsnahen Betriebsbedingungen detailliert erfassen. Dadurch leisten sie einen wesentlichen Beitrag zur gezielten Optimierung und Weiterentwicklung moderner Halbleiterbauelemente. Klassische HV-SMUs sind in ihrer Dynamik stark eingeschränkt und unterstützen in der Regel lediglich niederfrequente Messungen mit Bandbreiten bis zu 10 kHz. Diese Arbeit adressiert diese Einschränkung durch die Konzeption und Entwicklung eines Prototypen einer breitbandigen HV-SMU, die Spannungen bis ±1 kV mit einer nutzbaren Bandbreite von 100 kHz erzeugt und gleichzeitig präzise Strommessungen in den Sub-Nanoamperebereich in mehreren Pfaden ermöglicht. Die entwickelte Lösung umfasst drei voneinander unabhängig steuerbare Ausgangskanäle (±1 kV, ±150 V, ±150 V), eine differenzielle Strommessung sowie eine Ansteuerung über ±5 V-Steuersignale. Der Entwurf basiert auf eigenständiger Konzeption, vor allem anhand eigener Simulationsmodelle mit LTspice. Nach entsprechender Umsetzung des Schaltplans inklusive Layout in EAGLE wurde ein funktionsfähiger Prototyp gefertigt, bestückt, in Betrieb genommen und weiterentwickelt. Die Messergebnisse dieses Standes belegen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit und stellen eine Grundlage für weiterführende Optimierungen dar. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung schneller HV-Messtechnik für künftige Anforderungen in Forschung und Industrie.

The continuous development of modern semiconductor technologies imposes increasing demands on the accuracy of high-voltage-based characterization methods, such as those utilizing HV-SMUs. These methods are essential tools for the precise characterization of transistors during their development phase, as they enable detailed measurements of the electrical behavior under realistic operating conditions. As a result, they make a significant contribution to the targeted optimization and further development of modern semiconductor devices.Classic HV-SMUs are severely limited in terms of their dynamics and typically only support low-frequency measurements with bandwidths up to 10 kHz. This workaddresses this limitation by the design and development of a wideband HV-SMU, capable of generating voltages up to ±1 kV with a usable bandwidth of 100 kHz, while simultaneously enabling precise current measurements in the sub-nanoampere range across multiple paths. The developed solution includes three fully independently controllable output channels (±1 kV, ±150 V, ±150 V), differential current measurement, and control via ±5V input signals. The design is based on an independent concept, primarily relying on custom simulation models created using LTspice.Following the implementation of the circuit diagram, including the layout in EAGLE, a functional prototype was built, assembled, commissioned, and further developed. The measurement results from this prototype demonstrate its basic functionality and provide a foundation for further optimization. Thus, this work contributes to the development of fast high-voltage measurement technology for future research and industrial applications.