利用大功率数字源表构建多源测量单元（SMU）系统-连载五

在测试系统问题中，被误解最多的就是接地。这里，“接地”定义为到接地端的连接。不过，许多人往往使用“接地”一词表示测试电路中源测量单元（SMU）的基准点。在本应用笔记中，这个基准点被称作“电路公共端”。

 

接地

 

为了安全，大部分系统都有一个接地点，以确保仪器或测试系统内的任何故障都不会使用户置身于触电危险之中。出于类似的原因，在高压系统中，导电测试夹具及其相关附件也必须与接地端连接。

 

电路公共端

 

为了获得精确的电源值和测量，确定电路公共端非常重要。当将多个电源与待测器件连接时，重要的是这些电源以同一点为基准，这样，待测器件的每个接线端才会获得期望的电压。具体实例参见图1。

 

图 1 当使用独立仪器时，输出必须具有相同的基准，这样，待测器件才能得到正确的电压和电流。在本例中，FET的电源接线端必须同时与门极LO端以及电压源LO端相连，这样，VGS和VDS才是准确的。因为两个仪器的LO端都连接到电源接线端，所以，这是电路（或测量）公共端。

 

下面基于VDS与VGS之间的关系来说明器件性能。我们将从两种测试配置的角度来考虑与电路公共端的连接：2651A型源测量单元（SMU）开启状态特性分析（漏极）以及2657A型源测量单元（SMU）关闭状态特性分析（漏极）。

 

使用吉时利2651A型大电流源测量单元（SMU）进行开启状态特性分析时，要创建电路公共端

 

“选择连接待测器件与仪器的电缆和夹具”部分说明为什么大电流仪器需要4线连接。当源测量单元（SMU）与功率晶体管基极或者MOSFET或IGBT门极连接时，也推荐使用4线连接，即使这时流过门极的电流很小。下面探讨一下如此推荐的原因，因为它与电路公共端连接有关。

注意图8中的测量配置。在此，将对功率MOSFET进行开启状态特性分析。这个配置可能用于为MOSFET生成系列曲线。当门极SMU (SMU 1)与漏极SMU (SMU 2)的LO端相连时，就建立了电路公共端。由于流经门极-源极环路的电流很小或者没有，门极SMU进行测量并根据其力端子的测量结果对输出电压进行校正，该结果是门极端与电流公共端（图2中的S´节点）电压之差。电路公共端通过测试引线与FET电源端（图2中的S节点）相连，该引线电阻是Rslead。由于流经漏极-源极环路电流较大(最高50A脉冲)，因此，我们不能忽略Rslead。在这里，即使1mΩ的电阻，也可能带来50mV的VGS与VGS´电位差。某些器件对门极-源极电压变化非常敏感。50mV的VGS电压差就可能引起数百毫安甚至1安培的漏电流变化。为了对电路公共端连接与实际器件接线端之间的电压降进行补偿，可以将门极SMU的检测端与待测器件单独连接，如图3所示。由于流经检测引线的电流接近为零，因此，门极SMU将准确测量FET器件源极端口的电压，并对输出电压进行校正，以维持期望的器件VGS电压。

在某些情况下，为了补偿门极电路中的振铃或振荡，必须减缓门极SMU响应。当门极SMU采用大电容模式时，就要这么做。不过，延长的响应时间可能减缓检测电压测量与输出电压校正之间的反馈。在这种情况下，要把门极SMU的LO端和检测LO端都连接到漏极SMU的检测LO端。由于流经门极-源极环路的电流很小或者没有，因此就没有电压测量误差。不过，在测试功率晶体管时，则不应该这么做，因为此时流经其基极和发射极的电流可能非常大。

 

图 2 由于大电流流经电路公共端，所以电路公共端与FET源端之间的电阻(Rslead)将造成电路公共端与FET源端测量的电压差异。因此，当使用两线连接方式连接门极SMU (SMU 1)与待测器件时，VGS ≠VGS’。

 

图 3 采用四线连接方式连接门极SMU，可以消除因Rslead引起的电压误差。通过这种方式，门极SMU可以对输出电压进行校正，使之保持在期望的VGS。

 

使用吉时利2657A型高压源测量单元（SMU）进行关闭状态特性分析时，要创建电路公共端

 

对于关闭状态的特性分析，门极和漏极SMU以及待测器件之间的连接参见图1。如果希望采用4线连接，只需将门极和漏极SMU的检测LO端连接即可。器件故障可能导致在较低电压端出现高电压。因此，门极、源极以及基底的连接必须采用高压连接器。为了便于两个仪器LO与检测LO之间的连接，吉时利公司推出2657A-LIM-3型LO互连模块作为可选择附件。通过2657A-LIM-3型LO互联模块，可以很容易实现3个源测量单元的LO与检测LO的连接。只要对连接稍作改动，还可以连接其他源测量单元（SMU）。

 

对于使用吉时利2651A与2657A型大功率源测量单元（SMU）的系统，要创建电路公共端

 

考虑到功率半导体器件的全面测试包括开启状态特性分析以及关闭状态特性分析，因此测试设置很可能涉及2651A型以及2657A型大功率源测量单元（SMU）。为了保证两种配置中测量的完整性，要将2651A型大功率源测量单元（SMU）的LO端与待测器件单独连接。将2651A型大功率源测量单元（SMU）的检测LO端连接至2657A-LIM-3，这样，就可以与测试设置中的其他源测量单元（SMU）共用。将2657A-LIM-3的输出LO端与2651A的LO端连接，并尽可能靠近待测器件。

在对晶片上器件进行开启状态特性分析时，前面推荐的连接方式可能导致3个探针向下触及连接FET源端的衬垫。不过，实施这些连接可能是个问题，不仅因为衬垫上没有容纳3个探针的足够空间，而且因为衬垫寿命将随着探针的下触而缩短。利用2657A-LIM-3型产品中的自动检测电阻，有可能解决这个问题。自动检测电阻通过100kΩ电阻器将2657A-LIM-3的输出检测LO端与输出LO端连接到一起(参见图4)。虽然待测器件测试没有保持真正的4线连接，但这对FET或IGBT门极接线端电压的影响不大，因为门极电流非常小，而且2651A型产品的LO是单独连接到电路公共端的。

 

图 4 在2657A-LIM-3型产品中，通过一个100kΩ电阻器将输出检测LO端与输出LO端连接到一起。在待测器件没有足够空间实施4线连接情况下，这样，可以实现准开尔文连接。如果期望完全的开尔文连接，只需利用电缆单独连接检测LO端与输出LO端，从本质上讲，100kΩ电阻器可以忽略。