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【技術大咖測試筆記系列】之十：在當今高壓半導體器件上執行擊穿電壓和漏流測量

2021-12-17 16:41:44 泰克科技技術大咖

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在經過多年研究和設計之后，碳化硅(SiC)和氮化鎵 (GaN)功率器件正變得越來越實用。這些器件盡管性能很高，但它們也帶來了許多挑戰，包括柵極驅動要求。SiC要求的柵極電壓(Vgs)要高得多，在負偏置電壓時會關閉。GaN的閾值電壓(Vth)則低得多，要求嚴格的柵極驅動設計。寬帶隙(WBG)器件由于物理特點，機身二極管壓降較高，因此對空轉時間和打開/關閉跳變的控制要求要更嚴格。

準確的電源和測量測試對表征這些高壓器件非常關鍵，以便能夠及時制訂正確的設計決策。提高設計裕量和過度設計只會推動成本上升，導致性能下降。此外，這些器件一般會涉及超過200 V的高壓，因此確保人身安全，防止觸電非常關鍵。

高壓器件測試

高壓半導體器件基本表征一般需要研究擊穿電壓和漏流。這兩個參數幫助器件設計人員迅速確定器件是否正確制造，確定其能否有效地用于目標應用中。

擊穿電壓測量

在測量擊穿電壓時，我們要對被測器件施加一個不斷提高的反向電壓，直到達到一定的測試電流，表明器件被擊穿。圖1是使用源測量單元(SMU)儀器在高壓二極管上進行擊穿測量，比如使用Keithley 2470 高壓源表SourceMeter® SMU儀器。注意SMU儀器怎樣連接到二極管的負極上應用反向電壓。對高壓二極管，使用安全三同軸電纜和正確接地的安全配線箱。

圖1. 使用2470 高壓SMU儀器對高壓二極管進行的典型擊穿電壓測量。

在判斷擊穿電壓時，一般會在遠高出被測器件預計額定值的水平上進行測量，以保證被測器件強健可靠。SMU儀器（如2470擁有1100 V源功能）一般足夠高，可以測試當今SiC和GaN 器件及未來器件設計。

人身安全考慮因素

圖2: 正確接地的測試夾具。

圖3: 安全互鎖連接在Keithley 2470 SMU儀器后面板上的位置。

在進行高壓測試時，人身安全至關重要，必須提前預防，避免觸電：

把被測器件(DUT)和任何暴露的連接密封在正確接地的夾具中，如圖2所示的夾具。
在理想情況下，SMU儀器要有安全互鎖，如圖3中的2470后面板所示。2470可以完全互鎖，在互鎖無效(互鎖開關閉合)時高壓輸出會關閉。SMU儀器的互鎖電路應連接到正常開路的開關，只有在系統中的用戶接入點閉合時開關才會閉合，以保證操作人員不會接觸DUT的高壓連接。例如，一旦打開測試夾具蓋，開關/繼電器就會開路，脫離2470 SMU的互鎖。
使用額定值達到系統最大電壓的電纜和連接器。吉時利TRX-1100 V高壓三同軸電纜是專為2470設計的，滿足了當今高壓安全標準。
處理通電元件上的高壓時，一直戴上正確的安全手套，如圖4所示。

圖4. 在處理通電元件上的高壓時使用正確的安全手套。

流測量

在典型的功率轉換應用中，半導體器件作為開關使用。漏流測量表明了半導體接近理想開關的程度。此外，在測量器件的可靠性時，漏流測量用來表明器件劣化，預測器件的使用壽命。

半導體研究人員正在尋找各種材料，以制作質量更高的開關，生產漏流很小的高功率器件。SMU儀器（如Keithley 2470）提供了精密弱電測量功能，測量分辨率最低可達10 fA。

在測量<1 μA電流時，為了防止不想要的測量誤差，可以使用三同軸電纜和靜電屏蔽裝置。三同軸電纜非常重要，部分原因是它們允許承載來自電流測量儀器的保護端子。保護功能消除了系統漏流影響，使其繞過測量端子。使用靜電屏蔽裝置，可以使靜電電荷避開測量端子。靜電屏蔽裝置是一種金屬配線箱，放在電路和任何暴露的連接周圍。安全測試配線箱可以作為靜電屏蔽裝置使用。

使用Keithley 2470 SMU儀器和KickStart軟件表征SiC功率二極管，2470 SMU儀器與吉時利KickStart軟件相結合，可以準確安全地快速測試高壓半導體器件上的擊穿電壓和反向漏流。

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