2.4 参数测试

2.4.1 I-V 特性测试

测试的主要资源是源/测量单元，即SMU（Source and Monitor Unit），可以同时提供和测量电压或者电流，图2-24a所示为SMU等效电路。SMU模块能够提供开尔文测量，通过把电力线和感测线分开，消除了电缆电阻对参数测试带来的影响。所以为了便于测试方便，现代的SMU都提供电力线（force line）和感测线（sense line）输出，图2-24b所示为开尔文SMU的输出配置。

I-V 特性测试电路如图2-25所示，栅极和漏极连接SMU模块，提供测试所需要的电压或者电流信号。一般栅极SMU模块功率较小，电压小于30V，电流小于1A；漏极的SMU模块是高功率模块，电压大于20V，电流大于500A。

在进行测试时有以下注意事项：

1）栅极通常是非开尔文连接，而漏极-源极之间是采用开尔文结构连接。

2）为了防止器件热效应，SMU模块需要提供pulse Ⅳ测试能力。

3）漏极和源极的电流会高达100A以上，为了减小测试电缆引入额外的寄生电阻和电感，尽可能采用短而粗的线缆。

4）栅极需要提供可选择的串联电阻，防止出现振荡情况。

各项 I-V 特性曲线测试的具体方法如下：

1.传递特性曲线

传递特性测试是固定漏-源电压 V _DS ，扫描测试 I _DS -V _GS 的 I-V 曲线。

2.门限电压

方法一：固定 V _DS ，扫描测试 V _GS ，当 I _DS 达到设定值时进行判定，读取 V _GS 作为栅极电压。

方法二： V _DS 和 V _GS 同步扫描，当 I _DS 达到设定值时进行判定，读取 V _GS 作为栅极电压。

3.输出特性曲线

实现输出特性曲线测试，需要在栅极施加不同的 V _GS 电压，扫描测试漏-源之间 I _DS -V _DS 的 I-V 曲线。

4.导通电阻

导通电阻测试是设置固定 V _GS 电压，漏极输出额定电流 I _DS ，测试对应的电压 V _DS ，通过欧姆定律计算得到导通电阻。导通电阻的数值都是在毫欧姆量级，测试连接要采用开尔文连接。

5.体二极管特性曲线

现代SMU模块都是双向输出，只要参照输出特性曲线测试进行连接，设置 V _DS 为负值、 V _GS 为零或负值就可以测试得到体二极管的曲线。

6.第三象限特性曲线

与体二极管特性曲线测试类似，设置 V _DS 为负值，而 V _GS 为正值。

7.击穿电压

击穿电压测试时将栅-源之间短路，漏-源之间逐步增大电压，当 I _DS 达到击穿条件时，在此时的 V _DS 就是击穿电压 V _(BR)DSS 。

击穿电压测试有两大要求：高压和高电流分辨率。通常SiC的典型击穿电压是900V或者1200V，甚至更高。在器件关断的时候，其漏电流很小，在pA级别或者更低，那么SMU就必须采用三轴测试结构。在三轴系统中，用与信号线等电位的有源驱动导体包围着信号线，从而消除漏电电流，实现pA级及以下的小电流测试。

三轴电缆结构如图2-26所示，信号线先由保护层包围（之间用绝缘材料隔离），然后再由接地屏蔽层包围（之间也用绝缘材料隔离）。在屏蔽层与保护层、保护层与信号线之间都是存在寄生电容效应的，通过对信号线与屏蔽层的隔离，保护层也能有效地消除寄生电容的影响。

在三轴输出电路中，保护层是通过缓冲电路的有源驱动与中心导体（信号）线保持同等的电位，如图2-27所示。显然，如果将保护线与信号线或者屏蔽线短路，都会存在使输出电路受损的风险。

2.4.2 结电容测试

电容表的测量原理是自动平衡电桥法，如图2-28所示。可以把自动平衡电桥看成是一个运算放大器电路，它适用于欧姆定律 V = I × R 。当器件受交流信号激励，在H端（高端）监测施加到器件上的实际电压，在L端（低端）由运放虚拟0V驱动。通过电阻器的电流 I ₂ 等于通过被测件的电流。因此，输出电压正比于流过器件的电流就可以得到被测件的交流电阻，对应频率可以换算电容值。为了覆盖频率范围，真实电路中会用检流计和调制器代替运算放大器。一般电容表有四个端口， H _c (信号源)、 H _p (电位计)、 L _c (电流表)、 L _p (锁定测量信号相位的电位计)。

使用自动平衡电桥法的电容表采用4TP测量方法，如图2-29所示。 H _p 和 H _c 端通常用作CMH（电容表高）连接， L _p 和 L _c 端通常用于CML（电容表低）。在整个测试电路中，不仅存在测量路径（电缆）的残余电感和电阻，还存在电缆间及DUT与地之间的杂散电容。用户必须先通过测量路径（电缆）补偿来消除这些寄生参数的影响，否则会极大降低测量的准确性。

4TP方案中CML端为虚地，绝不要把该点接地，否则将破坏自动平衡电桥电路中的平衡，而造成测量误差。电容电缆的外导体（屏蔽）由于与虚拟地同样的电位，同样需要把它浮置起来。另外，应将四个外屏蔽在带短电缆的探头前段连接到一起，这样就能为屏蔽中的感应电流建立返回路径，从而稳定电缆中的串联电感。

为了消除测试夹具残余参数的影响，需要分别在开路和短路条件下进行校准测量。

对于高压偏置电容测试来说，需要电容表和高压SMU模块一起工作，通过高压偏置三通进行连接，然后连接被测件的两端，图2-30所示为简化的高压偏置电容测试电路图。

1. C _GD / C _rss 测试

对于 C _GD 测试，也就是 C _rss 测试来说，需要在测量 C _GD 的同时在漏极施加高压的直流偏置。源极是不可以直接悬空的，需要将其连接到交流短路。

2. C _oss 测试

C _oss 测试也同样比较简单，只需要将栅极和源极短接。

3. C _iss 测试

C _iss 的测试存在一定难度，因为需要把将漏极和源极交流短路的同时施加高压偏置。如图2-31所示，会使用电容作为DC Blocking去短路漏-源极，用100kΩ电阻去作为AC Blocking连接高压偏置。

2.4.3 栅电荷测试

常见的栅电荷 Q _G 测量电路有电流源负载电路、电阻负载电路和电感负载电路，如图2-32所示。在三种测试方式中，分别利用陪测管的 V _GS(on) 、负载电阻 R _L 和脉宽长度 t _p 设置测试电流，测试电压由 V _Bus 给定。

Keysight公司的B1506A采用了全新的 Q _G 测量方式，分别测量高压小电流（H.V）、低压大电流（H.C）下的 Q _G 特性，将两条曲线分别体现器件关断和开通状态下的 Q _G 特性的部分拼接、拟合，从而得到了完整的 Q _G 曲线。图2-33所示为使用B1506A进行 Q _G 测量的波形和结果，图2-33a为高压下的测试波形，图2-33b为高流下的测试波形，图2-33c为 Q _G 曲线。

2.4.4 测试设备

曲线追踪仪是进行功率半导体参数测试的主要设备，常见型号有Keysight B1506A ^[2] 和Keithley 2600-PCT ^[3] ，如图2-34和图2-35所示。

B1506A功率器件分析仪/曲线追踪仪是完整的功率电路设计解决方案，支持电路设计人员根据应用选择适合的功率器件，以便充分发挥功率电子产品的价值。B1506A可以在不同工作条件下评测所有的功率器件参数，包括： I-V 参数（击穿电压和导通电阻）、在高压偏置下的三端电容、栅极电荷和功率损耗。B1506A用于电路设计的功率器件分析仪/曲线追踪仪提供所有曲线追踪仪功能并具有更出色的特性。B1506A的性能十分出众，包括广泛的电压和电流（3kV和1500A）与温度（-50～+250℃）测量范围、快速脉冲功能以及Sub-nA电流测量分辨率，能够识别在实际电路工作条件下的不合格器件。其独特的软件界面提供用户熟悉的器件技术资料格式，使用户无须经过正式培训即可轻松表征器件。测试夹具内的转换集成电路支持全自动测试功能，并能自动切换高电压和高电流测试以及 I-V 测量和 C-V 测量。

Keithley 2600-PCT高功率参数化波形记录器系列的配置支持所有的设备类型和测试参数。Keithley参数化波形记录器配置包括检定工程师快速开发全面测试系统所需的一切。完善的解决方案，价格实惠且性能优异，可现场升级和重新配置，将PCT转换成可靠性或晶片分类测试仪，可配置功率电平：200V～3kV、1～100A宽动态范围：μV～3kV、10 ^-15 A～100A全量程容-电压（ C-V ）能力：10 ^-15 F～μF，支持2、3和4端器件，高达3kV DC偏移高性能测试夹具支持一系列软件包类型，探头测试台接口支持最常见的探头类型，包括HV同轴三线电缆、SHV同轴电缆、标准同轴三线电缆等。

对SiC MOSFET的开关过程和体二极管反向恢复特性进行测试是对其进行评估的重要方面，由于器件开关速度快，又需要同时兼顾高压高流，对原有的设备提出了更高的要求，这些内容将在下一章详细介绍。