【導(dǎo)讀】在經(jīng)過多年研究和設(shè)計(jì)之后,碳化硅(SiC)和氮化鎵 (GaN)功率器件正變得越來越實(shí)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(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,因此對空轉(zhuǎn)時(shí)間和打開/關(guān)閉跳變的控制要求要更嚴(yán)格。
準(zhǔn)確的電源和測量測試對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。
擊穿電壓測量
在測量擊穿電壓時(shí),我們要對被測器件施加一個(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(jìn)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(fù)極上應(yīng)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(jìn)行的典型擊穿電壓測量。
在判斷擊穿電壓時(shí),一般會(huì)在遠(yuǎn)高出被測器件預(yù)計(jì)額定值的水平上進(jìn)行測量,以保證被測器件強(qiáng)健可靠。SMU儀器(如2470擁有1100 V源功能)一般足夠高,可以測試當(dāng)今SiC和GaN 器件及未來器件設(shè)計(jì)。
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(jìn)行高壓測試時(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(guān)閉合)時(shí)高壓輸出會(huì)關(guān)閉。SMU儀器的互鎖電路應(yīng)連接到正常開路的開關(guān),只有在系統(tǒng)中的用戶接入點(diǎn)閉合時(shí)開關(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,一旦打開測試夾具蓋,開關(guān)/繼電器就會(huì)開路,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。
圖4. 在處理通電元件上的高壓時(shí)使用正確的安全手套。
漏流測量
在典型的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中,半導(dǎo)體器件作為開關(guān)使用。漏流測量表明了半導(dǎo)體接近理想開關(guān)的程度。此外,在測量器件的可靠性時(shí),漏流測量用來表明器件劣化,預(yù)測器件的使用壽命。
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)提供了精密弱電測量功能,測量分辨率最低可達(dá)10 fA。
在測量<1 μA電流時(shí),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(hù)端子。保護(hù)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(shí)利KickStart軟件相結(jié)合,可以準(zhǔn)確安全地快速測試高壓半導(dǎo)體器件上的擊穿電壓和反向漏流。
如需了解這一組合怎樣成功地解決固有的挑戰(zhàn),請下載應(yīng)用指南:使用Keithley 2470 SourceMeter?源測量單元(SMU)儀器和KickStart軟件在高壓半導(dǎo)體器件上進(jìn)行擊穿和漏流測量。
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