一、半導(dǎo)體材料的表面電阻率

電子器件的許多重要參數(shù)與電阻率及其分布的均勻性有密切的關(guān)系，例如二極管的反向飽和電流，晶 體管的飽和壓降和放大倍數(shù) β 等，都直接與硅單晶的電阻率有關(guān)。因此器件的電阻率測試已經(jīng)成為芯片加 工中的重要工序，對其均勻性的控制和準確的測量直接關(guān)系將來能否制造出性能更優(yōu)功率器件。

不同于使用萬用表測量常規(guī)導(dǎo)體電阻，半導(dǎo)體硅單晶電阻率以及微電子領(lǐng)域的其他金屬薄膜電阻率的 測量屬于微區(qū)薄層電阻測試，需要利用微小信號供電以及高精密的量測設(shè)備，包括測試接線方式上，也需 要利用四線制的接法來提升測量結(jié)果的準確性，行業(yè)內(nèi)稱為四探針測試法。

1.什么是四探針測試法？

四探針技術(shù)可測試對象主要有：晶圓片和薄層電阻，例如硅襯底片、研磨片、外延片，離子注入片、 退火硅片、金屬膜和涂層等。利用探針分析可檢測整個芯片表面薄層電阻均勻性，進而判斷離子注入片和 注入工藝中存在的問題。

四探針法按測量形狀可分為直線四探針法和方形四探針法。

1）直線四探針法

直線四探針測試法的原理是用針距為 1mm 的四根探針同時壓在樣品的平整表面上，利用恒流源給外 面的兩個探針通以微小電流，然后在中間兩個探針上用高精密數(shù)字萬用表測量電壓，最后根據(jù)理論公式計 算出樣品的電阻率，電阻率計算公式：

，S 代表探針間距。 直線四探針法能測出超過其探針間距三倍以上大小區(qū)域的不均勻性。

測試設(shè)備：不同探針間距探針臺+IT2806 高精密源表+上位機軟件 PV2800 IT2806

高精密源表（簡稱 SMU）：集六種設(shè)備功能于一體（恒流源、恒壓源、脈沖發(fā)生器、6.5 位 DVM、 電池模擬器，電子負載）。在電阻率的測試中，可將 IT2806 高精密源表切換至恒流源模式，在輸出電流同 時量測中間兩探針之間的微小壓降，并搭配免費的 PV2800 上位機軟件，自動得出電阻率的測量結(jié)果。

2.利用 IT2800 系列高精密源表測量電阻率的優(yōu)勢：

測試便捷：ITECH IT2800 系列高精密源/測量單元標配免費的上位機 PV2800 軟件，并可選配不同直 線探針間距的探針臺，利用軟件內(nèi)置的公式，即可直接得出電阻率的測試結(jié)果。

測試精度高：高達 100nV/10fA 分辨率，電流量測精度最高可達 0.1%+50pA，電壓量測精度最高可達 0.015%+300uV；提供正向/反向電流連續(xù)變化測試，提高測試精度。

2）方形四探針法（如范德堡法）

范德堡法適用于扁平，厚度均勻，任意形狀且不含有任何隔離孔的樣品材料測試。相比較直線型四探 針法，對樣品形狀沒有要求。測試中，四個探針接觸點必須位于樣品的邊緣位置，測試接線方式也是在其 中兩個探針點提供恒定電流，另外兩個點量測電壓。圍繞樣品進行 8 次測量，對這些讀數(shù)進行數(shù)學組合來 決定樣品的平均電阻率。詳細測試方法可參見 ASTM 標準 F76。

二、半導(dǎo)體器件的 I-V 特性測試

如何利用 IT2800 源表快速實現(xiàn) MOSFET 器件的 I-V 特性測試，以MOSFET為例。 MOSFET 即金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，是電路設(shè)計中常用的功率開關(guān)器件，為壓控器件；其特點 是用柵極電壓來控制漏極電流，具備驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高、熱穩(wěn)定性高 于 GTR 等優(yōu)點。按導(dǎo)電溝道功率 MOSFET 可分為 P 溝道和 N 溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型； 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強型；對于 N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于） 零時才存在導(dǎo)電溝道，功率 MOSFET 主要是 N 溝道增強型。

MOSFET 的主要特性

通常，Power MOSFET 器件參數(shù)分為靜態(tài)、動態(tài)、開關(guān)特性，其中靜態(tài)特性主要是表征器件本征特 性指標。即當器件的工藝結(jié)構(gòu)或材料發(fā)生變化時，都需要進行直流 I-V 特性的測試。MOSFET 的靜態(tài)特 性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，與靜態(tài)特性對應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓、漏極額定電 流和柵極開啟電壓等。本文將介紹如何通過 ITECH 最新圖形化源測量單元 IT2800 實現(xiàn) MOSFET 的靜態(tài) I-V 特性和參數(shù)測試。

1. MOSFET 轉(zhuǎn)移特性測試（ID=f(VGS)）

轉(zhuǎn)移特性是驗證的是柵極電壓 VGS 對 ID 的控制作用，其表征了器件的放大能力。對于恒定的 VDS， VGS 越大，則溝道中可移動的電子越多，溝道電阻越小，相應(yīng)的 ID 就越大。當然這個 VGS達到一定值的時 候，電壓再大，ID 也不會再有太大的變化了。以某品牌 MOSFET 參數(shù)為例，其轉(zhuǎn)移特性曲線如下圖所 示：

測試方法：如上圖，在漏極 D 和源極 S 之間連接 SMU1-IT2805（200V/1.5A/20W），施加特定的 VDS 值。接著通過 SMU2-IT2805 掃描 VGS，并同步量測 ID，隨著 VGS 的增大，ID 也會增大，最終繪制出曲 線。

測試優(yōu)勢：IT2800 系列提供多種掃描模式：直流或脈沖，線性或?qū)?shù)，單向或雙向。對于敏感型的功率 器件，測試人員可選擇脈沖掃描方式，以減少通過持續(xù)的直流而導(dǎo)致器件溫度升高，特性發(fā)生變化等問 題。另一方面為確保當 VGS 變化時，同步量測到穩(wěn)定的 ID 參數(shù)，兩臺 SMU 之間采用光纖的通訊方式， 極大縮減了同步誤差，可低于 30ns。

2. MOSFE 輸出特性測試（ID=f(VDS）)

MOS 管的輸出特性可以分為三個區(qū):截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。當 MOSFET 工作在開關(guān)狀態(tài) 時，隨著 VGS 的通/斷，MOSFET 在截止區(qū)和可變電阻區(qū)來回切換。當 MOSFET 工作于恒流區(qū)時，可以 通過控制 VGS 的電壓來控制電流 ID。

測試方法：同樣的接線方式，在漏極 D 和源極 S 之間連接 SMU1- IT2805（200V/1.5A/20W），提供掃 描電壓 VDS。在柵極 G 和源極 S 之間連接 SMU2-IT2805，提供掃描電壓 VGS。測試過程中，漏源極電壓 VDS 設(shè)定從 0V 開始掃描至終止電壓。當 VDS 掃描結(jié)束后，柵極電壓 VGS 步進到下一個數(shù)值，VDS 再次進 行掃描。

測試優(yōu)勢：您也可以選配 ITECH 的 SPS5000 軟件，實現(xiàn)自動化的半導(dǎo)體靜態(tài)特性測試。SPS5000 軟件 內(nèi)建 CMOS 的半導(dǎo)體模型及豐富的靜態(tài)指標測試項目，您只需要進行簡單的參數(shù)配置即可快速完成測 試。當測試完成后，上位機軟件可以對多次測試進行綜合的分析，顯示 table 數(shù)據(jù)或曲線，幫助工程師提 升測試效率。

三、雙脈沖測試

雙脈沖測試(Double Pulse Test)是分析功率開關(guān)器件動態(tài)特性的常用測試，通過雙脈沖測試可以便捷的評估功率器件的性能，獲得穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中的主要參數(shù)，更好的評估器件性能，優(yōu)化驅(qū)動設(shè)計等等。

雖然功率半導(dǎo)體器件的手冊上會有參數(shù)標注，但這些參數(shù)都是在標準測試條件下得到的。使用IGBT或者MOSFET做逆變器的工程師如果不加以測試，而直接在標定的工況下跑看能否達到設(shè)計的功率，無法全面了解器件性能，進而影響產(chǎn)品長期可靠性。又或者設(shè)計裕量過大帶來成本增加，使得產(chǎn)品的市場競爭力下降。

如果能在設(shè)計研發(fā)階段，精準地了解器件的開關(guān)性能，將對整個產(chǎn)品的優(yōu)化帶來極大的好處。比如能在不同的電壓、電流和溫度下獲得開關(guān)損耗，給系統(tǒng)仿真提供可靠的數(shù)據(jù);又比如可以通過觀察波形振蕩情況來選擇合適的門極電阻。

ITECH作為功率半導(dǎo)體測試領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商，為雙脈沖測試提供多種先進電源及源表產(chǎn)品。

1.雙脈沖測試平臺

測試設(shè)備:

1.高壓電源:IT6700H/IT6018C-1500-40/IT-M3906C-1500-12

2.電容組

3.負載電感

4.示波器

5.高壓差分電壓探頭(1000:1)

6.電流探頭

7 SMU: IT2806

2.雙脈沖測試流程:

Step 1.

在t0時刻，被測IGBT的門門]極接收到第- -個脈沖，被測IGBT導(dǎo)通，母線電壓U加在負載電感L.上，電感上的電流線性上升, I=U*t/L 。IGBT關(guān)斷前的tl時刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定;在U和L都確定時，電流的數(shù)值IGBT開啟的脈寬T1決定，開啟時間越長，電流越大。執(zhí)行點:通過改變脈沖寬度的大小，自主設(shè)定電流的數(shù)值。

Step2.

tl 到t2之間，IGBT 關(guān)斷，此時負載的電流L的電流由上管二極管續(xù)流，該電流緩慢衰減。tl 時刻，IGBT 關(guān)斷，因為母線雜散電感Ls的存在，會.產(chǎn)生- -定的電壓尖峰

關(guān)注點:在該時刻， 重點是觀察IGBT的關(guān)斷過程，電壓尖峰是重要的監(jiān)控對象。

Step3.

在t2時刻，被測IGBT再次導(dǎo)通，續(xù)流二極管進入反向恢復(fù)狀態(tài)，反向恢復(fù)電流會穿過IGBT,此時電流探頭所測得的Ic為FRD反向電流與電感電流疊加，產(chǎn)生電流尖峰。

重點觀察: IGBT的開通過程，電流峰值是重要的監(jiān)控對象，同時應(yīng)注意觀察柵極波形是否存在震蕩現(xiàn)象。

Step4.

在t3時刻，被測IGBT再次關(guān)斷，與第- -次關(guān)斷相同，因為母線雜散電感Ls的存在，會產(chǎn)生- -定的電壓尖峰。重點觀察:關(guān)斷之后電壓和電流是否存在不合適的震蕩。

3.通過雙脈沖測試我們可以得到什么?

1.獲取ICRM (最大峰值電流) IRBSOA(最大關(guān)斷電流)

2.測量主電路雜散電感: Us=Ls*dij/dt

3.評估續(xù)流二極管的風險

4.雙脈沖測試中的電流源

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，IGBT、 MOSFET、BJT 等半導(dǎo)體器件向小型化、集成化、大功率方向發(fā)展。為了避免大功率測試過程中溫升對測試造成影響、甚至燒壞器件。在法規(guī)和行業(yè)測試中，通常會給被測器件施加滿足功率條件下的瞬時電流脈沖,進行半導(dǎo)體器件相關(guān)參數(shù)測試。

5.電容儲能式脈沖電流源

脈沖恒流源以儲能電容放電的方式發(fā)生電流脈沖。從功能實現(xiàn)角度分析,脈沖電源的工作電路由以下兩個基本回路組成;

電容充電電路:直流源通過限流電阻R給超級電容充電;

脈沖放電電流:超級電容C通過開關(guān)管對負載RL放電;

脈沖電流幅值:電容C充電壓控制和電阻RL決定;

脈沖寬度:開關(guān)時間t決定; .

電容充電:

根據(jù)超級電容的特性，充電電源應(yīng)具備寬范圍輸出能力，可實現(xiàn)如下功能:

電壓高速建立并維持穩(wěn)定;

電流高速上升、無明顯過沖;

ITECH高壓電源推薦型號:

IT6018C-2250-20

IT6018C-1500-40

IT-M3906C-1500-12

IT6726V

IT6000C系列電源最高電壓可達2250V, IT-M3900C 系列電源可達1500V,適應(yīng)高電壓測試需求。IT6726V 參數(shù)為1200V/5A/3kW也可作為基礎(chǔ)型選擇。

充電電源典型案例:

某客戶IGBT測試系統(tǒng)使用IT6018C-2250-20給16F電容充電測試:

客戶期望在超級電容充電過程中電壓建立速度快，過沖小。使用ITECHIT6000C系列高性能直流電源產(chǎn)品，利用CC/CV優(yōu)先權(quán)功能有優(yōu)秀的表現(xiàn),幫助用戶提高測試效率。更多產(chǎn)品資訊可登錄ITECH官網(wǎng)http://www.itechate.com了解詳情.