【技術(shù)大咖測(cè)試筆記系列】之十： 在當(dāng)今高壓半導(dǎo)體器件上執(zhí)行擊穿電壓和漏流測(cè)量
2021-12-20 08:29:18
泰克
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在經(jīng)過(guò)多年研究和設(shè)計(jì)之后，碳化硅(SiC)和氮化鎵 (GaN)功率器件正變得越來(lái)越實(shí)用。這些器件盡管性能很高，但它們也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，包括柵極驅(qū)動(dòng)要求。SiC要求的柵極電壓(Vgs)要高得多，在負(fù)偏置電壓時(shí)會(huì)關(guān)閉。GaN的閾值電壓(Vth)則低得多，要求嚴(yán)格的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。寬帶隙(WBG)器件由于物理特點(diǎn)，機(jī)身二極管壓降較高，因此對(duì)空轉(zhuǎn)時(shí)間和打開(kāi)/關(guān)閉跳變的控制要求要更嚴(yán)格。
準(zhǔn)確的電源和測(cè)量測(cè)試對(duì)表征這些高壓器件非常關(guān)鍵，以便能夠及時(shí)制訂正確的設(shè)計(jì)決策。提高設(shè)計(jì)裕量和過(guò)度設(shè)計(jì)只會(huì)推動(dòng)成本上升，導(dǎo)致性能下降。此外，這些器件一般會(huì)涉及超過(guò)200 V的高壓，因此確保人身安全，防止觸電非常關(guān)鍵。
高壓器件測(cè)試
高壓半導(dǎo)體器件基本表征一般需要研究擊穿電壓和漏流。這兩個(gè)參數(shù)幫助器件設(shè)計(jì)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(biāo)應(yīng)用中。
擊穿電壓測(cè)量
在測(cè)量擊穿電壓時(shí)，我們要對(duì)被測(cè)器件施加一個(gè)不斷提高的反向電壓，直到達(dá)到一定的測(cè)試電流，表明器件被擊穿。圖1是使用源測(cè)量單元(SMU)儀器在高壓二極管上進(jìn)行擊穿測(cè)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(fù)極上應(yīng)用反向電壓。對(duì)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(duì)高壓二極管進(jìn)行的典型擊穿電壓測(cè)量。
在判斷擊穿電壓時(shí)，一般會(huì)在遠(yuǎn)高出被測(cè)器件預(yù)計(jì)額定值的水平上進(jìn)行測(cè)量，以保證被測(cè)器件強(qiáng)健可靠。SMU儀器（如2470擁有1100 V源功能）一般足夠高，可以測(cè)試當(dāng)今SiC和GaN 器件及未來(lái)器件設(shè)計(jì)。
人身安全考慮因素
在進(jìn)行高壓測(cè)試時(shí)，人身安全至關(guān)重要，必須提前預(yù)防，避免觸電：
- 把被測(cè)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(wú)效(互鎖開(kāi)關(guān)閉合)時(shí)高壓輸出會(huì)關(guān)閉。SMU儀器的互鎖電路應(yīng)連接到正常開(kāi)路的開(kāi)關(guān)，只有在系統(tǒng)中的用戶接入點(diǎn)閉合時(shí)開(kāi)關(guān)才會(huì)閉合，以保證操作人員不會(huì)接觸DUT的高壓連接。例如，一旦打開(kāi)測(cè)試夾具蓋，開(kāi)關(guān)/繼電器就會(huì)開(kāi)路，脫離2470 SMU的互鎖。
- 使用額定值達(dá)到系統(tǒng)最大電壓的電纜和連接器。吉時(shí)利TRX-1100 V高壓三同軸電纜是專為2470設(shè)計(jì)的，滿足了當(dāng)今高壓安全標(biāo)準(zhǔn)。
- 在處理通電元件上的高壓時(shí)，一直戴上正確的安全手套，如圖4所示。
漏流測(cè)量
在典型的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)使用。漏流測(cè)量表明了半導(dǎo)體接近理想開(kāi)關(guān)的程度。此外，在測(cè)量器件的可靠性時(shí)，漏流測(cè)量用來(lái)表明器件劣化，預(yù)測(cè)器件的使用壽命。
半導(dǎo)體研究人員正在尋找各種材料，以制作質(zhì)量更高的開(kāi)關(guān)，生產(chǎn)漏流很小的高功率器件。SMU儀器（如Keithley 2470）提供了精密弱電測(cè)量功能，測(cè)量分辨率最低可達(dá)10 fA。
在測(cè)量<1 μA電流時(shí)，為了防止不想要的測(cè)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?cè)试S承載來(lái)自電流測(cè)量儀器的保護(hù)端子。保護(hù)功能消除了系統(tǒng)漏流影響，使其繞過(guò)測(cè)量端子。使用靜電屏蔽裝置，可以使靜電電荷避開(kāi)測(cè)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(cè)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(shí)利KickStart軟件相結(jié)合，可以準(zhǔn)確安全地快速測(cè)試高壓半導(dǎo)體器件上的擊穿電壓和反向漏流。
關(guān)鍵詞：
半導(dǎo)體
泰克
測(cè)試測(cè)量
