【技術大咖測試筆記系列】之十：在當今高壓半導體器件上執(zhí)行擊穿電壓和漏流測量

　　作者：泰克科技技術大咖

　　在經(jīng)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(zhàn)，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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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。

　　·在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。

　　漏流測量

　　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(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(tǒng)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。