太陽能電池、電源管理器件、高亮度LED和RF功率晶體管的特性分析等高功率測試應用經(jīng)常需要高電流，有時需要高達40A甚至更高的功率，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）將需要100A以上的電流。但是，通常單電源技術(shù)指標中規(guī)定的DC電流最大值是有限制的。這項指標的限制通常取決于電源的設(shè)計、儀器中使用分立器件的安全工作區(qū)域，內(nèi)部印制電路板上的金屬線間距等。如果想增大電流輸出并且使用SMU（Source Measurement Unit，源測量單元），可以采用多種測試模式和多個通道。
雖然DC電流源通常不允許使用脈沖輸出，但是可以自己搭建脈沖電路。對于MOSFET或IGBT等功率器件的測試來說，脈沖源常常十分重要，因為DC測試電流會使DUT的電阻值因焦耳熱產(chǎn)生偏移。雖然可以使用高功率脈沖發(fā)生器，但是它們不具備內(nèi)建測量功能，因而高功率脈沖發(fā)生器要求用脈沖測試信號同步分立電表的工作。
脈沖掃描實現(xiàn)更高的功率
可以用脈沖掃描代替直流掃描以獲得更高功率的I-V掃描，而且不影響測試結(jié)果。但是，使用電容器等DUT時，脈沖掃描則比不上直流掃描，因為在電壓脈沖的陡峭邊界會產(chǎn)生較大的位移電流，進而改變這些器件的電氣特性。另一方面，脈沖I-V測試對于得到其他類型器件的最優(yōu)測試結(jié)果（例如高功率RF功放，甚至低功率納米級器件）來說非常重要。在高功率連續(xù)波（CW）測試中，半導體材料本身會以熱量的形式消耗輸入功率。隨著器件中的材料變熱，傳導電流會降低，因為載流子和震動的晶格碰撞得更頻繁（聲子散射）。因此，由于自發(fā)熱效應使電流的測量結(jié)果被錯誤地降低了。假定這些類型的器件通常工作在脈沖模式下（即，斷續(xù)地而不是連續(xù)地），偏低的DC電流測量結(jié)果就不能準確反應這些器件的性能。在上述情況下，必須采用脈沖測試。
從使用直流掃描轉(zhuǎn)換到使用脈沖掃描時，必須考慮以下兩個因素。脈沖必須足夠?qū)挷庞谐渥愕臅r間讓器件瞬態(tài)、導線連接和其他接口電路達到穩(wěn)定，以使系統(tǒng)的測量穩(wěn)定、可重復。但是，另一方面，脈沖寬度又不能超過測試儀器的最大脈沖寬度和占空比極限，從而違反儀器允許的功率占空比。脈沖過寬還會產(chǎn)生與DC掃描同樣的器件自發(fā)熱問題。
組合多條SMU通道實現(xiàn)更高DC電流
組合SMU通道實現(xiàn)更高DC電流最常用的方法是在DUT的兩端并行連接電流源，如圖1所示。
圖1 組合多條SMU通道實現(xiàn)更高DC電流
此測試設(shè)置利用了著名的電學定律（基爾霍夫電流定律），它闡明了如果兩個電流源并行連接到同一個電路節(jié)點，那么它們的電流將相加。這兩臺SMU都輸出電流并測量電壓。這兩臺SMU的全部LO阻抗端子（FORCE和SENSE）都接地。表1提供了這一特定配置的特性概要。
應當將SMU1和SMU2的輸出電流設(shè)置為相同極性以獲得最大輸出。只要有可能，就將一臺SMU配置為固定源，另一臺SMU執(zhí)行掃描。這有助于讓兩臺SMU實現(xiàn)同步掃描。如果兩臺SMU都在掃描，那么它們的輸出阻抗會自然而然地變化(例如，當儀表自動量程擴大或縮小時)。DUT輸出阻抗還會顯著變化，例如，從高阻抗的關(guān)斷狀態(tài)到低阻抗的導通狀態(tài)。隨著電路中許多阻抗元件的變化，會導致整個電路在每個偏置點上的建立時間延長。雖然這種瞬態(tài)效應會逐漸消失，但是固定將一臺SMU作為源并將另一臺SMU用于掃描，通?？梢栽黾臃€(wěn)定性并縮短瞬態(tài)測量返回穩(wěn)態(tài)的時間，進而實現(xiàn)更高的測試吞吐量。
融合脈沖掃描與多條組合的SMU通道
新的SMU架構(gòu)簡化了脈沖掃描法的功率增強優(yōu)勢與多條SMU通道并行工作的融合。例如，某些雙通道SMU支持SMU通道數(shù)量從雙通道增至四通道。使用脈沖掃描以及多通道功能輸出的電流比使用一臺SMU和DC掃描輸出的電流更高。顯然，實現(xiàn)該測試方法要格外注意保證人身安全。為了安全起見，隔離或安裝障礙物對于防止用戶接觸帶電電路來說非常重要。需要額外的保護技術(shù)防止損壞測試設(shè)置或DUT。多路脈沖必須緊密同步（達到納秒級精度），從而一臺設(shè)備不會提前上電并會損壞其他還沒上電的單元。
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圖2給出了吉時利工程師使用一臺SMU產(chǎn)生10A脈沖的實驗舉例的結(jié)果，此結(jié)果用示波器觀察。測試DUT采用高功率精密電阻器（0.01W，±0.25%，KRL R-3274），脈沖寬度為300μs。示波器示出了幅度為0.1V（10A×0.01Ω）寬度為300μs的近似方波。組合4臺并行的SMU輸出40A脈沖至相同的DUT得到0.4V幅度的波形和通道之間的緊密同步（低抖動）。采用相同的測試設(shè)置和脈沖波形就能驗證脈沖的一致性。
圖2 使用一臺SMU產(chǎn)生10A脈沖的實驗結(jié)果
使用脈沖性能驗證，工程師設(shè)置了4臺組合SMU的脈沖掃描并取P-N二極管DUT上的I-V曲線（如圖3所示）。值得注意的是，一臺SMU的DC掃描達到3A與一臺SMU的脈沖掃描達到10A的相關(guān)性。從而，工程師將可實現(xiàn)的I-V曲線擴展至40A。
圖3 I-V曲線
此實驗驗證了4臺SMU通道和脈沖組合在二端器件（電阻器和二極管）上實現(xiàn)40A的有效性。通過修改，該技術(shù)在用于測試高功率MOSFET等三端器件時同樣有效。
使用多臺SMU的脈沖掃描方法時，以下幾種實施因素對于最大程度提高測試結(jié)果的準確度和精度來說至關(guān)重要。
● 使用源回讀：SMU的源和測量功能內(nèi)建在同一單元中，因此能用其測量電路回讀施加電壓的真實值。源電壓的設(shè)置值與施加到DUT的實際電壓不一定相等；使用多臺并行的SMU，源的偏移量可能累加達到很大，所以使用源回讀能清晰了解實際的源電平，而不僅僅是設(shè)置電壓。
● 四線測量：四線（Kelvin）測量在進行大電流測試時非常必要，因為此技術(shù)通過將兩條極高阻抗的電壓感測（SENSE）線接至DUT，避開了測試線壓降。由于SENSE線上的電流非常小，從SENSE端子看到的電壓基本等于未知電阻兩端的電壓。在40A電流條件下，即便測試線纜有極低的電阻，如10mΩ，都會產(chǎn)生0.4V的壓降。所以，如果SMU在40A電流條件下施加1V電壓并且線纜電阻為10mΩ并采用兩條測試線，那么DUT可能僅得到0.2V的電壓，其中測試線纜上有0.8V的壓降。
與主要影響源值的源回讀不同，4線測量由于消除了可能影響測量結(jié)果的載流線壓降，所以能得到準確度高得多的源值和測量值。
● 每個DUT節(jié)點只放置一個電壓源：在許多測試序列中，電壓掃描（施加電壓）和測量電流（FVMI）很常見。在一臺以上的SMU并行連接至器件一個端子的情況下，就將全部SMU置為電壓源模式并測量電流。但是，必須考慮以下三個因素：
① 輸出電壓的SMU處于極低阻抗狀態(tài)。
② DUT的阻抗可能高于處在電壓源模式下SMU的阻抗。DUT的阻抗可以是靜態(tài)或動態(tài)的，并且在測試序列期間會改變。
③ 即使當全部并行的SMU都設(shè)置輸出同等電壓時，SMU之間存在著與儀器電壓源準確度有關(guān)的微小變化，這意味著SMU通道之一會比其他通道的電壓略低（毫伏級的幅度）。所以，如果3臺并行的SMU連接到DUT的一個端子，并且每臺SMU施加電壓和輸出接近最大值的電流，并且DUT處于高阻態(tài)，那么所有電流將流向輸出電壓略低的那臺SMU并很可能損壞它。因此，當并行的SMU連至DUT的一個端子時，必須僅一臺SMU輸出電壓。參見圖4，了解并行SMU連接的正確方法和錯誤方法。
圖4 并行SMU連接的錯誤配置和正確配置
圖4a：這種錯誤配置可能出現(xiàn)高電流并損壞源電壓略低于其他SMU的那臺SMU。圖4b:這種準Kelvin配置，雖然不存在和第一種配置同樣的儀器損壞風險，但引入了附加的測量誤差，該誤差必須記入系統(tǒng)誤差計劃中，而且限制了此SMU的最大輸出。圖4c:這種“混合”方法能防止SMU損壞并支持增加SMU電流源，以達到應用的電流源要求。
● 減輕由于接觸故障造成過高能耗：當兩臺具有同等輸出容量的SMU并行接到電路的單個節(jié)點時，一臺SMU必須能吸收另一臺SMU輸出的全部電流。例如，當其中一條測試線斷開與器件的連接時（例如，當測試線突然斷開或接觸不當時），有可能出現(xiàn)這種情況。這意味著，在一小段時間內(nèi)，一臺SMU必須吸收另一臺SMU的電流。但是，當兩臺以上的SMU并聯(lián)至一個電路節(jié)點時，一臺SMU就不能吸收其他SMU的全部電流。如果與器件的連接斷開，被迫吸收電流的SMU正處于最低電位或最低阻抗，而且很有可能正在輸出電壓。為了保護施加電壓SMU的信號輸入，可以使用諸如1N5820的二極管。推薦使用二極管的原因是因為保險絲反應太慢了，不能提供保護，而且使用電阻器將造成電阻器上的壓降過大。二極管的響應比保險絲快得多，而且其上的最大壓降比電阻器小得多（典型值約為1V）。但是，為了讓這種方法真正安全，必須使用二極管保護所有在電路配置中的SMU。這是因為，如果DUT進入高阻狀態(tài)，那么電流源試圖將電流施加到正在輸出電壓的SMU，但是這種情況對于采用二極管保護的正在輸出電壓的SMU來說不可能出現(xiàn)。這會使輸出電流的SMU提高其輸出電壓，直至達到其電壓極限。一旦出現(xiàn)這種情況，電流源將不得不順應并成為電壓源。這就意味著，現(xiàn)在有多個并行的電壓源。即使它們的電壓極限設(shè)置為完全相同，但是它們的輸出還可能略微不同并有可能互相損壞。
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重要的是，需要注意將每臺儀器安裝一顆二極管并且配置中的每臺SMU都受到影響。首先，電路配置中包含二極管就意味著這種方法只能用于輸出功率，但是不能吸收功率，因為二極管不允許電流流進SMU。第二個影響是，為了獲得最大輸出電壓，需要繞過二極管使用4線連接電流源，因為二極管的壓降會使電流源提前達到順應狀態(tài)。在這些電流幅度上，二極管壓降的典型值約為1V。
結(jié)論
對于寬范圍的電子器件，SMU提供了一種設(shè)計測試和測量系統(tǒng)的簡單、集成度高的方法。越來越多的測試應用需要源和/或測量更高電流的能力，本文介紹的技術(shù)提供了組合分立源與測量儀器的實用、經(jīng)濟有效的替代方法。欲獲知關(guān)于實現(xiàn)高電流測試配置的更多技術(shù)信息，請到www.keithley.com/data?asset=52630下載編號為3047的應用筆記:“用I-V測量設(shè)備實現(xiàn)更高電流的方法”。
附：接線與測試設(shè)備安全性的考慮
通常，測試接線和測試連接都必須使DUT和SMU之間的電阻值（R）、電容值（C）和電感值（L）達到最小。為了使電阻值最小化，在任何可能的地方并且肯定在測試設(shè)備之內(nèi)，使用較大規(guī)格的電線。需要的規(guī)格取決于承載電流的幅度；例如，對于必須承載40A的接線，大概需要12號的線纜。
低阻線纜對于防止儀器損壞非常重要。選擇低于30mΩ/m的電纜或更低電阻值的線纜用于10A脈沖。讓電纜長度盡量短，并且永遠使用低電感電纜（例如，雙絞線對或低阻抗同軸型）、大規(guī)格電纜以限制線纜上的壓降。通過檢查SMU電壓輸出的裕量指標以確保該壓降沒有過大。例如，如果使用2602A型SMU輸出20V，那么測試線的壓降不應超過3V才能避免測試結(jié)果不準確或儀器損壞。規(guī)定HI和SENSE HI端子間的最大電壓為3V并且LO和SENSE LO端子間的最大電壓為3V。
雖然許多人認為防護能最大程度降低線纜的充電效應，但這通常是高壓測試而不是高電流測試需要關(guān)心的。四線Kelvin連接必須盡可能靠近DUT；每毫米長度得到的測量結(jié)果都會不同。
而且，應當注意的是，應當用SMU施加電壓進行電壓回讀，因為正在輸出電流的SMU的電壓讀數(shù)由于連接的情況會有很大變化，而且與DUT上實際看到的不同。
測試設(shè)備上使用的插座必須是知名的高質(zhì)量插座。例如，某些紅色插座使用大量鐵制材料以獲得紅色效果，但由于導電會導致不可接受的大量泄漏。插座之間的電阻值應當盡可能高，而且在任何情況下都大于1010Ω。
當測試FET或IGBT時，往往推薦在SMU和器件柵極之間加入電阻器。當大量脈沖電流經(jīng)過這些類型的器件時，它們?nèi)菀桩a(chǎn)生振蕩。在柵極插入電阻器會衰減這些振蕩，因此使測量穩(wěn)定；由于柵極不吸收更多的電流，所以電阻器不會導致較大的壓降。
如果測試序列中使用的電壓超過40V，那么測試設(shè)備和SMU必須安裝適當?shù)幕ユi并按照正常的安全規(guī)程操作。
許多電氣測試系統(tǒng)或儀器都能測量或輸出危險的電壓和功率電平。在單錯誤的情況下（例如，編程錯誤或儀器故障）也可能輸出危險電平，甚至系統(tǒng)提示當前沒有危險。對于保護操作人員在任何時候都遠離所有危險來說，這些高電平非常關(guān)鍵。保護方法包括：
● 使用前，仔細驗證測試方案的操作。
● 設(shè)計測試固定裝置以防操作人員接觸任何危險電路。
● 確保被測器件完全封閉，以保護操作人員免受飛濺碎片的傷害。
● 操作人員可能接觸到的所有電氣連接都必須雙重絕緣。雙重絕緣可以在其中一個絕緣層失效后還能確保操作人員的安全。
● 當測試裝置蓋打開時，使用可靠性高的失效-安全互鎖開關(guān)斷開電源。
● 只要可能，盡量采用自動機械手，進而操作人員無須接觸測試裝置的內(nèi)部以及打開防護。
● 為系統(tǒng)的全部用戶提供適當?shù)呐嘤?，讓大家理解所有潛在危險并知道如何保護自己不受傷害。測試系統(tǒng)設(shè)計工程師、集成工程師和安裝工程師的責任是確保對于操作人員和維護人員的保護非常到位而且有效。
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