标签: 静态参数

功率半导体是电子产业链中最核心的一类器件， 能够实现电能转换和电路控制作用。功率半导体包括功率半导体分立器件(含模块)以及功率IC等。其中，功率半导体分立器件按照器件结构可分为二极管、晶闸管和晶体管等。 以MOSFET、IGBT以及SiC MOSFET为代表的功率器件需求旺盛。根据性能不同，广泛应用于汽车、充电桩、光伏发电、风力发电、消费电子、轨道交通、工业电机、储能、航空航天和军工等众多领域。 随着行业技术革新和新材料性能发展，功率半导体器件结构朝复杂化演进，功率半导体的村底材料朝大尺寸和新材料方向发展。以SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)为代表的第三代宽禁带半导体材料迅速发展，它们通常具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、高温稳定性以及可承受大功率等特点，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器等方面展现出巨大的潜力。SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)电力电子器件也逐渐成为功率半导体器件的重要发展领城。另外，由于不同结构和不同衬底材料的功奉半导体电学性能和成本各有差异，在不同应用场景各具优势。 功率半导体的生产流程，主要包括设计验证、晶圆制造、封装测试三个主要环节，其中，每一个生产环节又包含若干复杂的工艺制程。 静态特性测试挑战 随着半导体制程工艺不断提升，测试和验证也变得更加重要。通常，主要的功率半导体器件特性分为静态特性、动态特性、开关特性。静态参数特性主要是表征器件本征特性指标，与工作条件无关的相关参数，如很多功率器件的的静态直流参数(如击穿电压、漏电流、阈值电压、跨导、压降、导通内阻)等。 功率半导体器件是一种复合全控型电压驱动式器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点:同时半导体功率器件的芯片属于电力电子芯片，需要工作在大电流、高电压、高频率的环境下，对芯片的可靠性要求较高，这给测试带来了一定的困难。市面上传统的测量技术或者仪器仪表一般可以覆盖器件特性的测试需求，但是宽禁带半导体器件SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的技术却极大扩展了高压、高速的分布区间。如何精确表征功率器件高流/高压下的I-V曲线或其它静态特性，这就对器件的测试工具提出更为严苛的挑战。 更高精度更高产量 并联应用要求测试精度提离，确保一致性 终端市场需求量大，要求测试效率提高，UPH提升 更宽泛的测试能力 更宽的测试范围、更强的测试能力 更大的体二极管导通电压 更低的比导通电阻 提供更丰富的温度控制方式 更科学的测试方法 扫描模式对阈值电压漂移的影响 高压低噪声隔离电源的实现 高压小电流测量技术、高压线性功放的研究 低电感回路实现 柔性化测试能力 兼容多种模块封装形式 方便更换测试夹具 灵活配置，满足不同测试需求 PMST系列功率器件静态参数测试系统是武汉普赛斯正向设计，精益打造的高精密电压/电流测试分析系统，是一致能够提供IV，CV、跨导等丰富功能的综合测试系统，具有高精度、宽测量范围、模块化设计、轻松升级扩展等优势，旨在全面满足从基础功率二极管、MOSFET. BJT、 IGBT到宽禁带半导体SiC、GaN等晶圆、芯片、器件及模块的静态参数表征和测试，并具有卓越的测量效率、一致性与可靠性。让任何工程师使用它都能变成行业专家。 针对用户不同测试场景的使用需求，普赛斯全新推出PMST功率器件静态参数测试系统、PMST-MP功率器件静态参数半自动化测试系统、PMST-AP功率器件静态参数全自动化测试系统三款功事器件静态参数测试系统。 从实验室到小批量、大批量产线的全覆盖 从Si IGBT. SiC MOS到GaN HEMT的全国盖 从晶圆、芯片、器件、模块到PM的全覆盖 产品特点 高电压、大电流 具有高电压测量/输出能力,电压高达3500V(最大可扩展至10kV) 具有大电流测量/输出能力,电流高达6000A(多模块并联) 高精度测量 nA级漏电流, μΩ级导通电阻 0.1%精度测量 模块化配置 可根据实际测试需要灵活配置多种测量单元系统预留升级空间,后期可添加或升级测量单元 测试效率高 内置专用开关矩阵,根据测试项目自动切换电路与测量单元 支持国标全指标的一键测试 扩展性好 支持常温及高温测试可灵活定制各种夹具 硬件特色与性能优势 大电流输出响应快，无过冲 采用自主开发的高性能脉冲式大电流源、高压源，输出建立过程响应快、无过冲。测试过程中，大电流典型上升时间为15us,脉宽在50-500μs之间可调。采用脉冲大电流的测试方式，可有效降低器件因自身发热带来的误差。 高压测试支持恒压限流，恒流限压模式 采用自主开发的高性能高压源，输出建立与断开响应快、无过冲。在击穿电压测试中，可设定电流限制或者电压限值，防止器件因过压或过流导致损坏。 工作原理 传统测试系统的搭建，通常需要切换测试仪表和器件连接方式才能完成功率器件I-V和C-V整体参数测试，而PMST功率器件静态物数测试系统内置专用开关矩阵，根据测试项目自动切换电路与测量单元，同时可灵活定制各种夹具，从而可以实现I-V和C-V全参数的一键化测试。只需要设置好测试条件，将器件故置在测试夹具中，就可以帮助您快速高效且精准的完成测试工作。

GaN HEMT器件性能的评估，一般包含静态参数测试（I-V测试）、频率特性（小信号S参数测试）、功率特性（Load-Pull测试）。静态参数，也被称作直流参数，是用来评估半导体器件性能的基础测试，也是器件使用的重要依据。以阈值电压Vgs（th）为例，其值的大小对研发人员设计器件的驱动电路具有重要的指导意义。 静态测试方法，一般是在器件对应的端子上加载电压或者电流，并测试其对应参数。与Si基器件不同的是，GaN器件的栅极阈值电压较低，甚至要加载负压。常见的静态测试参数有：阈值电压、击穿电压、漏电流、导通电阻、跨导、 电流坍塌效应测试等。 图：GaN 输出特性曲线(来源：Gan systems) 图：GaN导通电阻曲线(来源：Gan systems) V (BL)DSS 击穿电压测试 击穿电压，即器件源漏两端所能承受的额定最大电压。对于电路设计者而言，在选择器件时，往往需要预留一定的余量，以保证器件能承受整个回路中可能出现的浪涌电压。其测试方法为，将器件的栅极-源极短接，在额定的漏电流条件下（对于GaN，一般为μ安级别）测试器件的电压值。 V gsth 阈值电压测试 阈值电压，是使器件源漏电流导通时，栅极所施加的最小开启电压。与硅基器件不同，GaN器件的阈值电压一般较低的正值，甚至为负值。因此，这就对器件的驱动设计提出了新的挑战。过去在硅基器件的驱动，并不能直接用于GaN器件。如何准确的获取手头上GaN器件的阈值电压，对于研发人员设计驱动电路，至关重要。 I DS 导通电流测试 导通电流，指GaN器件在开启状态下，源漏两端所能通过的额定最大电流值。不过值得注意的是，电流在通过器件时，会产生热量。电流较小时，器件产生的热量小，通过自身散热或者外部散热，器件温度总体变化值较小，对测试结果的影响也可以基本忽略。但当通过大电流，器件产生的热量大，难以通过自身或者借助外部快速散热。此时，会导致器件温度的大幅上升，使得测试结果产生偏差，甚至烧毁器件。因此，在测试导通电流时，采用快速脉冲式电流的测试手段，正逐渐成为新的替代方法。 电流坍塌测试（导通电阻） 电流崩塌效应，在器件具体参数上表现动态导通电阻。GaN 器件在关断状态承受漏源J高电压，当切换到开通状态时，导通电阻暂时增加、最大漏极电流减小；在不同条件下，导通电阻呈现出一定规律的动态变化。该现象即为动态导通电阻。 测试过程为：首先，栅极使用P系列脉冲源表，关闭器件；同时，使用E系列高压源测单元，在源极和漏极间施加高压。在移除高压之后，栅极使用P系列脉冲源表，快速导通器件的同时，源极和漏极之间采用HCPL高脉冲电流源加载高速脉冲电流，测量导通电阻。可多次重复该过程，持续观察器件的动态导通电阻变化情况。 自热效应测试 在脉冲I-V 测试时，在每个脉冲周期，器件的栅极和漏极首先被偏置在静态点(VgsQ, VdsQ)进行陷阱填充，在此期间，器件中的陷阱被电子填充，然后偏置电压从静态偏置点跳到测试点(Vgs, Vds)，被俘获的电子随着时间的推移得到释放，从而得到被测器件的脉冲I-V 特性曲线。当器件处于长时间的脉冲电压下，其热效应增大，导致器件电流崩塌率增加，需要测试设备具有快速脉冲测试的能力。具体测试过程为，使用普赛斯CP系列脉冲恒压源，在器件栅极-源极、源极-漏极，分别加载高速脉冲电压信号，同时测试源极-漏极的电流。可通过设置不同的电压以及脉宽，观察器件在不同实验条件下的脉冲电流输出能力。 图：脉冲测试连接示意图 对于应用在射频场景下的氮化镓器件，如PA器件或者模组，除了测试静态参数外，也要对其在射频应用下的性能进行表征。常见的射频测试手段有小信号S参数测试、Load-pull测试等。此外，由于氮化镓器件存在电流崩塌现象，有专业研究指出，氮化镓在直流与脉冲的测试条件下，会呈现出不同的射频放大特性。因此，脉冲式的小信号S参数测试，Load-Pull测试方案正逐渐引起研究人员的关注。 图：GaN RF 效率与频率的关系(来源：qorvo) 图：GaN RF Load-pull测试曲线(来源：qorvo) 基于高性能数字源表SMU的氮化镓器件表征设备推荐 SMU，即源测量单元，是一种用于半导体材料，以及器件测试高性能仪表。与传统的万用表，以及电流源相比，SMU集电压源、电流源、电压表、电流表以及电子负载等多种功能于一体。此外，SMU还具有多量程，四象限，二线制/四线制测试等多种特性。一直以来，SMU在半导体测试行业研发设计，生产流程得到了广泛应用。同样，对于氮化镓的测试，高性能SMU产品也是不可少的工具。 ​ 武汉普赛斯是一家专注于半导体的电性能测试仪表的开发、生产与销售的研发型高新技术企业。公司以源表为核心产品，专注于第三代半导体测试，提供从材料、晶圆、器件的全系列解决方案。 未来，普赛斯仪表基于国产化高精度数字源表（SMU）的测试方案，以更优的测试能力、更准确的测量结果、更高的可靠性与更全面的测试能力，联合更多行业客户，共同助力我国第三代半导体行业高可靠高质量发展。 ​