經過多年的研究和設計，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率器件變得越來越可行。但是，這些器件雖然具有高性能，但也帶來了挑戰，包括柵極驅動要求。SiC 需要更高的柵極電壓 (Vgs) 和負偏壓才能關斷。另一方面，GaN 具有低得多的閾值電壓 (Vth)，需要嚴格的柵極驅動設計。寬帶隙 (WBG) 器件由于其物理特性，也具有較高的體二極管壓降，這需要對死區時間和開啟/關閉轉換進行更嚴格的控制。

準確的電源和測量測試對于表征這些高壓設備至關重要，以便及時做出正確的設計決策。增加設計利潤和過度設計只會推高成本并降低性能。而且，通常涉及高于 200 V 的高電壓，因此免受有害電壓的影響至關重要。

高壓設備測試

高壓半導體器件的基本特性通常涉及對擊穿電壓和漏電流的研究。這兩個參數幫助設備設計人員快速確定設備是否正確制造以及是否可以有效地用于目標應用。

擊穿電壓測量

測量擊穿電壓是通過向器件施加增加的反向電壓來完成的，直到達到表明器件處于擊穿狀態的特定測試電流。圖 1 說明了使用源測量單元 (SMU) 儀器（如 Keithley 的 2470 高壓 SourceMeter? SMU 儀器）對高壓二極管進行的擊穿測量。請注意 SMU 儀器如何連接到二極管的陰極以施加反向電壓。

圖 1. 使用 2470 高壓 SMU 儀器對高壓二極管進行的典型擊穿電壓測量。

在確定擊穿電壓時，通常會進行遠遠超出器件預期額定值的測量，以確保器件堅固可靠。具有 1100 V 供電能力的 SMU 儀器（例如 2470）通常足以測試當今的許多 SiC 和 GaN 器件以及未來的器件設計。

安全注意事項

在高壓下進行測試時，安全至關重要，必須采取預防措施避免接觸不安全的電壓：

將被測設備 (DUT) 和任何裸露的連接封裝在正確接地的夾具中，如圖 2 所示的夾具。

理想情況下，SMU 儀器將具有安全聯鎖裝置，如圖 3 中 2470 的后面板上所示。2470 完全聯鎖，因此如果聯鎖裝置未接合（聯鎖開關關閉），高壓輸出將關閉。 SMU 儀器的聯鎖電路應連接到一個常開開關，該開關僅在系統中的用戶接入點關閉時才關閉，以確保操作員無法滿足與 DUT 的高壓連接。例如，打開測試夾具的蓋子應該會打開斷開 2470 SMU 互鎖的開關/繼電器。

使用額定為系統中最大電壓的電纜和連接器。Keithley 的 TRX-1100 V 高壓三同軸電纜專為 2470 設計，符合當今的高壓安全標準。

如圖 4 所示，在通電組件上使用高電壓時，請始終使用適當的安全手套。

圖 2：正確接地的測試夾具。

圖 3：吉時利 2470 SMU 儀器后面板上的安全互鎖連接位置。

漏電流測量

在典型的功率轉換應用中，半導體器件用作開關。泄漏電流測量表明半導體性能與理想開關的接近程度。此外，在測量器件的可靠性時，泄漏電流測量值用于指示器件退化和預測器件壽命。

半導體研究人員正在尋找材料來制造更高質量的開關并生產漏電流非常小的大功率器件。Keithley 2470 等 SMU 儀器提供精確的低電流測量能力，測量分辨率低至 10 fA。

為防止在測量小于 1 μA 的電流時出現不必要的測量誤差，請使用三軸電纜和靜電屏蔽。三軸電纜是必不可少的，部分原因是它們允許攜帶電流測量儀器的保護端子。防護通過將系統漏電流遠離測量終端來消除它們的影響。使用靜電屏蔽將靜電荷從測量終端分流。靜電屏蔽是圍繞電路和任何暴露連接的金屬外殼。安全測試外殼可用作靜電屏蔽。

使用 Keithley 的 2470 SMU 儀器和 KickStart 軟件表征 SiC 功率二極管

將 2470 SMU 儀器與 Keithley 的 KickStart 軟件相結合是一種準確、安全和快速的方法來測試高壓半導體器件的擊穿電壓和反向漏電流。