【技术大咖测试笔记系列】之十： 在当今高压半导体器

在经过多年研究和设计之后，碳化硅(SiC)和氮化镓 (GaN)功率器件正变得越来越实用。这些器件尽管性能很高，但它们也带来了许多挑战，包括栅极驱动要求。SiC要求的栅极电压(Vgs)要高得多，在负偏置电压时会关闭。GaN的阈值电压(Vth)则低得多，要求严格的栅极驱动设计。宽带隙(WBG)器件由于物理特点，机身二极管压降较高，因此对空转时间和打开/关闭跳变的控制要求要更严格。

准确的电源和测量测试对表征这些高压器件非常关键，以便能够及时制订正确的设计决策。提高设计裕量和过度设计只会推动成本上升，导致性能下降。此外，这些器件一般会涉及超过200 V的高压，因此确保人身安全，防止触电非常关键。

高压器件测试

高压半导体器件基本表征一般需要研究击穿电压和漏流。这两个参数帮助器件设计人员迅速确定器件是否正确制造，确定其能否有效地用于目标应用中。

击穿电压测量

在测量击穿电压时，我们要对被测器件施加一个不断提高的反向电压，直到达到一定的测试电流，表明器件被击穿。图1是使用源测量单元(SMU)仪器在高压二极管上进行击穿测量，比如使用Keithley 2470 高压源表SourceMeter® SMU仪器。注意SMU仪器怎样连接到二极管的负极上应用反向电压。对高压二极管，使用安全三同轴电缆和正确接地的安全配线箱。

图1. 使用2470 高压SMU仪器对高压二极管进行的典型击穿电压测量。

在判断击穿电压时，一般会在远高出被测器件预计额定值的水平上进行测量，以保证被测器件强健可靠。SMU仪器（如2470拥有1100 V源功能）一般足够高，可以测试当今SiC和GaN 器件及未来器件设计。
人身安全考虑因素

在进行高压测试时，人身安全至关重要，必须提前预防，避免触电：

• 把被测器件(DUT)和任何暴露的连接密封在正确接地的夹具中，如图2所示的夹具。
• 在理想情况下，SMU仪器要有安全互锁，如图3中的2470后面板所示。2470可以完全互锁，在互锁无效(互锁开关闭合)时高压输出会关闭。SMU仪器的互锁电路应连接到正常开路的开关，只有在系统中的用户接入点闭合时开关才会闭合，以保证操作人员不会接触DUT的高压连接。例如，一旦打开测试夹具盖，开关/继电器就会开路，脱离2470 SMU的互锁。
• 使用额定值达到系统最大电压的电缆和连接器。吉时利TRX-1100 V高压三同轴电缆是专为2470设计的，满足了当今高压安全标准。
• 在处理通电元件上的高压时，一直戴上正确的安全手套，如图4所示。

漏流测量
在典型的功率转换应用中，半导体器件作为开关使用。漏流测量表明了半导体接近理想开关的程度。此外，在测量器件的可靠性时，漏流测量用来表明器件劣化，预测器件的使用寿命。

半导体研究人员正在寻找各种材料，以制作质量更高的开关，生产漏流很小的高功率器件。SMU仪器（如Keithley 2470）提供了精密弱电测量功能，测量分辨率最低可达10 fA。

在测量<1 μA电流时，为了防止不想要的测量误差，可以使用三同轴电缆和静电屏蔽装置。三同轴电缆非常重要，部分原因是它们允许承载来自电流测量仪器的保护端子。保护功能消除了系统漏流影响，使其绕过测量端子。使用静电屏蔽装置，可以使静电电荷避开测量端子。静电屏蔽装置是一种金属配线箱，放在电路和任何暴露的连接周围。安全测试配线箱可以作为静电屏蔽装置使用。

使用Keithley 2470 SMU仪器和KickStart软件表征SiC功率二极管，2470 SMU仪器与吉时利KickStart软件相结合，可以准确安全地快速测试高压半导体器件上的击穿电压和反向漏流。

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