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      2. 【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

        2021-12-20 08:29:18 來源:泰克
        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

        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
                            
        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。
        • 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。

        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。

        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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