SiC/GaN功率半導(dǎo)體面臨測試新挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]半導(dǎo)體材料最近引來不少關(guān)注。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，硅對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)商的運(yùn)行性能已經(jīng)逼近極限。功率半導(dǎo)體用戶需要更高效的、切換時(shí)損失電力不那么多的設(shè)備。
因此功率半導(dǎo)體廠商開始轉(zhuǎn)向替代材料，更具體地說是碳化硅
半導(dǎo)體材料最近引來不少關(guān)注。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，硅對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)商的運(yùn)行性能已經(jīng)逼近極限。功率半導(dǎo)體用戶需要更高效的、切換時(shí)損失電力不那么多的設(shè)備。
因此功率半導(dǎo)體廠商開始轉(zhuǎn)向替代材料，更具體地說是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。選擇這兩種材料有很多理由，比如它們的寬禁帶對(duì)高溫應(yīng)用很有吸引力。
舉個(gè)例子，福特汽車公司就對(duì)用GaN設(shè)備完成混合動(dòng)力車電源轉(zhuǎn)換非常感興趣。福特過去在這些應(yīng)用里用硅功率MOSFET，但必須讓它們遠(yuǎn)離絕大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換所在的引擎室。原因？它們受不了高熱。結(jié)果就是更長的線和紅外損失，完全與混合動(dòng)力車的初衷背道而馳。作為對(duì)比，GaN設(shè)備可以在300°C攝氏度高溫下正常工作。
當(dāng)然，GaN功率半導(dǎo)體成本更高，對(duì)吧？其實(shí)沒你想的那么高，特別是目前業(yè)界已經(jīng)采用在硅襯底和氮化鋁緩沖層之上生長GaN的技術(shù)。這使得設(shè)備廠商可以利用現(xiàn)有硅制程技術(shù)在襯底上生長PN結(jié)。GaN定價(jià)也從原先10-15倍于傳統(tǒng)硅下降到更容易接受的水平——如果你確實(shí)需要性能提升的話。
因此我們有了能提供更高效、更耐用的高性能材料，并且價(jià)位也能讓混合動(dòng)力車、工業(yè)用引擎等大批量生產(chǎn)設(shè)備所接受。GaN在電源切換性能上遠(yuǎn)比硅更趨于完美——擋住無限大小的電壓、承載無窮大的電流、完成實(shí)時(shí)切換，并且完全不需要驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)然，GaN還達(dá)不到完美的標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)比硅接近太多：GaN能夠阻擋更高的電壓、有更低的電阻、速度也更快。具體有多快呢？哪怕在10A電流下，GaN FET都能在幾毫秒間完成切換。這可能是80MHz的頻率切換。
不過這種神奇的材料技術(shù)也有一個(gè)缺陷。在GaN開關(guān)里，電流提升更快、電壓下滑更快。這意味著GaN設(shè)備雖然切換更快，但開啟電壓也和漏源接通電阻一樣低。
設(shè)計(jì)師需要用示波器觀察設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律、測量轉(zhuǎn)換中的損失。這些設(shè)備中的電壓變化幅度可以達(dá)到600V甚至更多，必須測量地更快。示波器必須有足夠帶寬來及時(shí)反映轉(zhuǎn)換，并且提供足夠高的分辨率來觀察轉(zhuǎn)換中的低電壓。
這問題的一種解決方法來自探測方面。Tektronix技術(shù)營銷經(jīng)理Randy White表示：“我們聽使用GaN功率半導(dǎo)體的工程師談過這問題。他們希望帶寬超過1GHz的設(shè)備完成KV級(jí)測量?！碧綔y器在這里屬于限制因素。頂級(jí)單端HV探測器能達(dá)到800MHz，或許可以應(yīng)付600V的變化幅度。
另一個(gè)探測方面的問題是高壓下的安全性。Tektronix和其它示波器廠商花了很大精力打造高壓示波器，確保絕緣。但Tektronix的用戶反對(duì)安全措施，因?yàn)樗鼈儠?huì)犧牲性能。
那么長引線傳感器呢？不好，會(huì)帶來太多電感導(dǎo)致電路負(fù)載或電路振蕩。很難判斷振蕩究竟是因?yàn)殡娐凡环€(wěn)定還是測試設(shè)置。Tektronix嘗試為高頻測量加入這項(xiàng)需求，為探測器增加減震電阻實(shí)現(xiàn)高電壓下的高保真。
在示波器方面則需要更高分辨率。今天絕大多數(shù)示波器提供8位分辨率。White表示超越這一限制的方法是通過平均化進(jìn)行后期處理。White表示：“我們會(huì)提醒用戶平均化有效，但這么做也有不足?！比粢骄嘈?，測量信號(hào)得具有可重復(fù)性。那發(fā)動(dòng)機(jī)的毛刺或者電流干擾呢？這種測量依然需要平均化才能提升分辨率。解決方法是通過積分平均（boxcar-averaging）技術(shù)，此時(shí)信號(hào)被過采樣，這種辦法可以降低隨機(jī)噪聲、實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量。
GaN功率半導(dǎo)體目前正在進(jìn)行有限量產(chǎn)。國際整流器公司（International Rectifier）計(jì)劃在未來12至18個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)。測量這些設(shè)備將成為很多工程師的問題。未來一兩年還需要多留意一下這一領(lǐng)域的新聞和進(jìn)展，不管是元器件方面還是測試方面。
下一頁原文參考: Working with SiC/GaN Power Semis Poses Test Challenges
因此功率半導(dǎo)體廠商開始轉(zhuǎn)向替代材料，更具體地說是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。選擇這兩種材料有很多理由，比如它們的寬禁帶對(duì)高溫應(yīng)用很有吸引力。
舉個(gè)例子，福特汽車公司就對(duì)用GaN設(shè)備完成混合動(dòng)力車電源轉(zhuǎn)換非常感興趣。福特過去在這些應(yīng)用里用硅功率MOSFET，但必須讓它們遠(yuǎn)離絕大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換所在的引擎室。原因？它們受不了高熱。結(jié)果就是更長的線和紅外損失，完全與混合動(dòng)力車的初衷背道而馳。作為對(duì)比，GaN設(shè)備可以在300°C攝氏度高溫下正常工作。
當(dāng)然，GaN功率半導(dǎo)體成本更高，對(duì)吧？其實(shí)沒你想的那么高，特別是目前業(yè)界已經(jīng)采用在硅襯底和氮化鋁緩沖層之上生長GaN的技術(shù)。這使得設(shè)備廠商可以利用現(xiàn)有硅制程技術(shù)在襯底上生長PN結(jié)。GaN定價(jià)也從原先10-15倍于傳統(tǒng)硅下降到更容易接受的水平——如果你確實(shí)需要性能提升的話。
因此我們有了能提供更高效、更耐用的高性能材料，并且價(jià)位也能讓混合動(dòng)力車、工業(yè)用引擎等大批量生產(chǎn)設(shè)備所接受。GaN在電源切換性能上遠(yuǎn)比硅更趨于完美——擋住無限大小的電壓、承載無窮大的電流、完成實(shí)時(shí)切換，并且完全不需要驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)然，GaN還達(dá)不到完美的標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)比硅接近太多：GaN能夠阻擋更高的電壓、有更低的電阻、速度也更快。具體有多快呢？哪怕在10A電流下，GaN FET都能在幾毫秒間完成切換。這可能是80MHz的頻率切換。
不過這種神奇的材料技術(shù)也有一個(gè)缺陷。在GaN開關(guān)里，電流提升更快、電壓下滑更快。這意味著GaN設(shè)備雖然切換更快，但開啟電壓也和漏源接通電阻一樣低。
設(shè)計(jì)師需要用示波器觀察設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律、測量轉(zhuǎn)換中的損失。這些設(shè)備中的電壓變化幅度可以達(dá)到600V甚至更多，必須測量地更快。示波器必須有足夠帶寬來及時(shí)反映轉(zhuǎn)換，并且提供足夠高的分辨率來觀察轉(zhuǎn)換中的低電壓。
這問題的一種解決方法來自探測方面。Tektronix技術(shù)營銷經(jīng)理Randy White表示：“我們聽使用GaN功率半導(dǎo)體的工程師談過這問題。他們希望帶寬超過1GHz的設(shè)備完成KV級(jí)測量?！碧綔y器在這里屬于限制因素。頂級(jí)單端HV探測器能達(dá)到800MHz，或許可以應(yīng)付600V的變化幅度。
另一個(gè)探測方面的問題是高壓下的安全性。Tektronix和其它示波器廠商花了很大精力打造高壓示波器，確保絕緣。但Tektronix的用戶反對(duì)安全措施，因?yàn)樗鼈儠?huì)犧牲性能。
那么長引線傳感器呢？不好，會(huì)帶來太多電感導(dǎo)致電路負(fù)載或電路振蕩。很難判斷振蕩究竟是因?yàn)殡娐凡环€(wěn)定還是測試設(shè)置。Tektronix嘗試為高頻測量加入這項(xiàng)需求，為探測器增加減震電阻實(shí)現(xiàn)高電壓下的高保真。
在示波器方面則需要更高分辨率。今天絕大多數(shù)示波器提供8位分辨率。White表示超越這一限制的方法是通過平均化進(jìn)行后期處理。White表示：“我們會(huì)提醒用戶平均化有效，但這么做也有不足?！比粢骄嘈?，測量信號(hào)得具有可重復(fù)性。那發(fā)動(dòng)機(jī)的毛刺或者電流干擾呢？這種測量依然需要平均化才能提升分辨率。解決方法是通過積分平均（boxcar-averaging）技術(shù)，此時(shí)信號(hào)被過采樣，這種辦法可以降低隨機(jī)噪聲、實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量。
GaN功率半導(dǎo)體目前正在進(jìn)行有限量產(chǎn)。國際整流器公司（International Rectifier）計(jì)劃在未來12至18個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)。測量這些設(shè)備將成為很多工程師的問題。未來一兩年還需要多留意一下這一領(lǐng)域的新聞和進(jìn)展，不管是元器件方面還是測試方面。
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