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

在測試系統(tǒng)問題中，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，許多人往往使用“接地”一詞表示測試電路中源測量單元（SMU）的基準(zhǔn)點(diǎn)。在本應(yīng)用筆記中，這個基準(zhǔn)點(diǎn)被稱作“電路公共端”。

接地

為了安全，大部分系統(tǒng)都有一個接地點(diǎn)，以確保儀器或測試系統(tǒng)內(nèi)的任何故障都不會使用戶置身于觸電危險之中。出于類似的原因，在高壓系統(tǒng)中，導(dǎo)電測試夾具及其相關(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量，確定電路公共端非常重要。當(dāng)將多個電源與待測器件連接時，重要的是這些電源以同一點(diǎn)為基準(zhǔn)，這樣，待測器件的每個接線端才會獲得期望的電壓。具體實(shí)例參見圖1。

圖 1 當(dāng)使用獨(dú)立儀器時，輸出必須具有相同的基準(zhǔn)，這樣，待測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與門極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€儀器的LO端都連接到電源接線端，所以，這是電路（或測量）公共端。

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

使用吉時利2651A型大電流源測量單元（SMU）進(jìn)行開啟狀態(tài)特性分析時，要創(chuàng)建電路公共端

“選擇連接待測器件與儀器的電纜和夾具”部分說明為什么大電流儀器需要4線連接。當(dāng)源測量單元（SMU）與功率晶體管基極或者M(jìn)OSFET或IGBT門極連接時，也推薦使用4線連接，即使這時流過門極的電流很小。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中的測量配置。在此，將對功率MOSFET進(jìn)行開啟狀態(tài)特性分析。這個配置可能用于為MOSFET生成系列曲線。當(dāng)門極SMU (SMU 1)與漏極SMU (SMU 2)的LO端相連時，就建立了電路公共端。由于流經(jīng)門極-源極環(huán)路的電流很小或者沒有，門極SMU進(jìn)行測量并根據(jù)其力端子的測量結(jié)果對輸出電壓進(jìn)行校正，該結(jié)果是門極端與電流公共端（圖2中的S´節(jié)點(diǎn)）電壓之差。電路公共端通過測試引線與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50mV的VGS與VGS´電位差。某些器件對門極-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，可以將門極SMU的檢測端與待測器件單獨(dú)連接，如圖3所示。由于流經(jīng)檢測引線的電流接近為零，因此，門極SMU將準(zhǔn)確測量FET器件源極端口的電壓，并對輸出電壓進(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)償門極電路中的振鈴或振蕩，必須減緩門極SMU響應(yīng)。當(dāng)門極SMU采用大電容模式時，就要這么做。不過，延長的響應(yīng)時間可能減緩檢測電壓測量與輸出電壓校正之間的反饋。在這種情況下，要把門極SMU的LO端和檢測LO端都連接到漏極SMU的檢測LO端。由于流經(jīng)門極-源極環(huán)路的電流很小或者沒有，因此就沒有電壓測量誤差。不過，在測試功率晶體管時，則不應(yīng)該這么做，因?yàn)榇藭r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源端測量的電壓差異。因此，當(dāng)使用兩線連接方式連接門極SMU (SMU 1)與待測器件時，VGS≠VGS’。

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

使用吉時利2657A型高壓源測量單元（SMU）進(jìn)行關(guān)閉狀態(tài)特性分析時，要創(chuàng)建電路公共端

對于關(guān)閉狀態(tài)的特性分析，門極和漏極SMU以及待測器件之間的連接參見圖1。如果希望采用4線連接，只需將門極和漏極SMU的檢測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。為了便于兩個儀器LO與檢測LO之間的連接，吉時利公司推出2657A-LIM-3型LO互連模塊作為可選擇附件。通過2657A-LIM-3型LO互聯(lián)模塊，可以很容易實(shí)現(xiàn)3個源測量單元的LO與檢測LO的連接。只要對連接稍作改動，還可以連接其他源測量單元（SMU）。

對于使用吉時利2651A與2657A型大功率源測量單元（SMU）的系統(tǒng)，要創(chuàng)建電路公共端

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

在對晶片上器件進(jìn)行開啟狀態(tài)特性分析時，前面推薦的連接方式可能導(dǎo)致3個探針向下觸及連接FET源端的襯墊。不過，實(shí)施這些連接可能是個問題，不僅因?yàn)橐r墊上沒有容納3個探針的足夠空間，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)品中的自動檢測電阻，有可能解決這個問題。自動檢測電阻通過100kΩ電阻器將2657A-LIM-3的輸出檢測LO端與輸出LO端連接到一起(參見圖4)。雖然待測器件測試沒有保持真正的4線連接，但這對FET或IGBT門極接線端電壓的影響不大，因?yàn)殚T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，通過一個100kΩ電阻器將輸出檢測LO端與輸出LO端連接到一起。在待測器件沒有足夠空間實(shí)施4線連接情況下，這樣，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)開爾文連接。如果期望完全的開爾文連接，只需利用電纜單獨(dú)連接檢測LO端與輸出LO端，從本質(zhì)上講，100kΩ電阻器可以忽略。