利用大功率數(shù)字源表構(gòu)建多源測(cè)量單元（SMU）系統(tǒng)-連載五

在測(cè)試系統(tǒng)問(wèn)題中，被誤解最多的就是接地。這里，“接地”定義為到接地端的連接。不過(guò)，許多人往往使用“接地”一詞表示測(cè)試電路中源測(cè)量單元（SMU）的基準(zhǔn)點(diǎn)。在本應(yīng)用筆記中，這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)被稱(chēng)作“電路公共端”。

接地

為了安全，大部分系統(tǒng)都有一個(gè)接地點(diǎn)，以確保儀器或測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的任何故障都不會(huì)使用戶(hù)置身于觸電危險(xiǎn)之中。出于類(lèi)似的原因，在高壓系統(tǒng)中，導(dǎo)電測(cè)試夾具及其相關(guān)附件也必須與接地端連接。

電路公共端

為了獲得精確的電源值和測(cè)量，確定電路公共端非常重要。當(dāng)將多個(gè)電源與待測(cè)器件連接時(shí)，重要的是這些電源以同一點(diǎn)為基準(zhǔn)，這樣，待測(cè)器件的每個(gè)接線端才會(huì)獲得期望的電壓。具體實(shí)例參見(jiàn)圖1。

圖 1 當(dāng)使用獨(dú)立儀器時(shí)，輸出必須具有相同的基準(zhǔn)，這樣，待測(cè)器件才能得到正確的電壓和電流。在本例中，F(xiàn)ET的電源接線端必須同時(shí)與門(mén)極LO端以及電壓源LO端相連，這樣，VGS和VDS才是準(zhǔn)確的。因?yàn)閮蓚€(gè)儀器的LO端都連接到電源接線端，所以，這是電路（或測(cè)量）公共端。

下面基于VDS與VGS之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)明器件性能。我們將從兩種測(cè)試配置的角度來(lái)考慮與電路公共端的連接：2651A型源測(cè)量單元（SMU）開(kāi)啟狀態(tài)特性分析（漏極）以及2657A型源測(cè)量單元（SMU）關(guān)閉狀態(tài)特性分析（漏極）。

使用吉時(shí)利2651A型大電流源測(cè)量單元（SMU）進(jìn)行開(kāi)啟狀態(tài)特性分析時(shí)，要?jiǎng)?chuàng)建電路公共端

“選擇連接待測(cè)器件與儀器的電纜和夾具”部分說(shuō)明為什么大電流儀器需要4線連接。當(dāng)源測(cè)量單元（SMU）與功率晶體管基極或者M(jìn)OSFET或IGBT門(mén)極連接時(shí)，也推薦使用4線連接，即使這時(shí)流過(guò)門(mén)極的電流很小。下面探討一下如此推薦的原因，因?yàn)樗c電路公共端連接有關(guān)。

注意圖8中的測(cè)量配置。在此，將對(duì)功率MOSFET進(jìn)行開(kāi)啟狀態(tài)特性分析。這個(gè)配置可能用于為MOSFET生成系列曲線。當(dāng)門(mén)極SMU (SMU 1)與漏極SMU (SMU 2)的LO端相連時(shí)，就建立了電路公共端。由于流經(jīng)門(mén)極-源極環(huán)路的電流很小或者沒(méi)有，門(mén)極SMU進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)其力端子的測(cè)量結(jié)果對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正，該結(jié)果是門(mén)極端與電流公共端（圖2中的S´節(jié)點(diǎn)）電壓之差。電路公共端通過(guò)測(cè)試引線與FET電源端（圖2中的S節(jié)點(diǎn)）相連，該引線電阻是Rslead。由于流經(jīng)漏極-源極環(huán)路電流較大(最高50A脈沖)，因此，我們不能忽略Rslead。在這里，即使1mΩ的電阻，也可能帶來(lái)50mV的VGS與VGS´電位差。某些器件對(duì)門(mén)極-源極電壓變化非常敏感。50mV的VGS電壓差就可能引起數(shù)百毫安甚至1安培的漏電流變化。為了對(duì)電路公共端連接與實(shí)際器件接線端之間的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，可以將門(mén)極SMU的檢測(cè)端與待測(cè)器件單獨(dú)連接，如圖3所示。由于流經(jīng)檢測(cè)引線的電流接近為零，因此，門(mén)極SMU將準(zhǔn)確測(cè)量FET器件源極端口的電壓，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正，以維持期望的器件VGS電壓。

在某些情況下，為了補(bǔ)償門(mén)極電路中的振鈴或振蕩，必須減緩門(mén)極SMU響應(yīng)。當(dāng)門(mén)極SMU采用大電容模式時(shí)，就要這么做。不過(guò)，延長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間可能減緩檢測(cè)電壓測(cè)量與輸出電壓校正之間的反饋。在這種情況下，要把門(mén)極SMU的LO端和檢測(cè)LO端都連接到漏極SMU的檢測(cè)LO端。由于流經(jīng)門(mén)極-源極環(huán)路的電流很小或者沒(méi)有，因此就沒(méi)有電壓測(cè)量誤差。不過(guò)，在測(cè)試功率晶體管時(shí)，則不應(yīng)該這么做，因?yàn)榇藭r(shí)流經(jīng)其基極和發(fā)射極的電流可能非常大。

圖 2 由于大電流流經(jīng)電路公共端，所以電路公共端與FET源端之間的電阻(Rslead)將造成電路公共端與FET源端測(cè)量的電壓差異。因此，當(dāng)使用兩線連接方式連接門(mén)極SMU (SMU 1)與待測(cè)器件時(shí)，VGS≠VGS’。

圖 3 采用四線連接方式連接門(mén)極SMU，可以消除因Rslead引起的電壓誤差。通過(guò)這種方式，門(mén)極SMU可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正，使之保持在期望的VGS。

使用吉時(shí)利2657A型高壓源測(cè)量單元（SMU）進(jìn)行關(guān)閉狀態(tài)特性分析時(shí)，要?jiǎng)?chuàng)建電路公共端

對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)的特性分析，門(mén)極和漏極SMU以及待測(cè)器件之間的連接參見(jiàn)圖1。如果希望采用4線連接，只需將門(mén)極和漏極SMU的檢測(cè)LO端連接即可。器件故障可能導(dǎo)致在較低電壓端出現(xiàn)高電壓。因此，門(mén)極、源極以及基底的連接必須采用高壓連接器。為了便于兩個(gè)儀器LO與檢測(cè)LO之間的連接，吉時(shí)利公司推出2657A-LIM-3型LO互連模塊作為可選擇附件。通過(guò)2657A-LIM-3型LO互聯(lián)模塊，可以很容易實(shí)現(xiàn)3個(gè)源測(cè)量單元的LO與檢測(cè)LO的連接。只要對(duì)連接稍作改動(dòng)，還可以連接其他源測(cè)量單元（SMU）。

對(duì)于使用吉時(shí)利2651A與2657A型大功率源測(cè)量單元（SMU）的系統(tǒng)，要?jiǎng)?chuàng)建電路公共端

考慮到功率半導(dǎo)體器件的全面測(cè)試包括開(kāi)啟狀態(tài)特性分析以及關(guān)閉狀態(tài)特性分析，因此測(cè)試設(shè)置很可能涉及2651A型以及2657A型大功率源測(cè)量單元（SMU）。為了保證兩種配置中測(cè)量的完整性，要將2651A型大功率源測(cè)量單元（SMU）的LO端與待測(cè)器件單獨(dú)連接。將2651A型大功率源測(cè)量單元（SMU）的檢測(cè)LO端連接至2657A-LIM-3，這樣，就可以與測(cè)試設(shè)置中的其他源測(cè)量單元（SMU）共用。將2657A-LIM-3的輸出LO端與2651A的LO端連接，并盡可能靠近待測(cè)器件。

在對(duì)晶片上器件進(jìn)行開(kāi)啟狀態(tài)特性分析時(shí)，前面推薦的連接方式可能導(dǎo)致3個(gè)探針向下觸及連接FET源端的襯墊。不過(guò)，實(shí)施這些連接可能是個(gè)問(wèn)題，不僅因?yàn)橐r墊上沒(méi)有容納3個(gè)探針的足夠空間，而且因?yàn)橐r墊壽命將隨著探針的下觸而縮短。利用2657A-LIM-3型產(chǎn)品中的自動(dòng)檢測(cè)電阻，有可能解決這個(gè)問(wèn)題。自動(dòng)檢測(cè)電阻通過(guò)100kΩ電阻器將2657A-LIM-3的輸出檢測(cè)LO端與輸出LO端連接到一起(參見(jiàn)圖4)。雖然待測(cè)器件測(cè)試沒(méi)有保持真正的4線連接，但這對(duì)FET或IGBT門(mén)極接線端電壓的影響不大，因?yàn)殚T(mén)極電流非常小，而且2651A型產(chǎn)品的LO是單獨(dú)連接到電路公共端的。

圖 4 在2657A-LIM-3型產(chǎn)品中，通過(guò)一個(gè)100kΩ電阻器將輸出檢測(cè)LO端與輸出LO端連接到一起。在待測(cè)器件沒(méi)有足夠空間實(shí)施4線連接情況下，這樣，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)開(kāi)爾文連接。如果期望完全的開(kāi)爾文連接，只需利用電纜單獨(dú)連接檢測(cè)LO端與輸出LO端，從本質(zhì)上講，100kΩ電阻器可以忽略。