CN107345996A - 场效应管测试电路及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种场效应管测试电路，包括：恒压工作模式的第一路四线开尔文测试通道，其信号端FH、FL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接组成回路，在所述回路中串联有电流采样电阻；其信号端SH、SL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接；运算放大器，其一输入端连接所述电流采样电阻的电压反馈，另一输入端连接一路电压源；电压检测电路，用于检测所述被测场效应管的栅极与源极之间的电压。对应的，本发明还提供一种基于上述测试电路的测试方法，电路实现了四线开尔文测试通道的反馈，结合测试条件所规定的电流值即可依据正向跨导的计算公式完整被测场效应管的正向跨导测试。
Description
技术领域
本发明涉及电路测试技术领域，特别是一种场效应管测试电路及测试方法。
背景技术
场效应管的正向跨导(Forward Transconductance)用于表征场效应管输出与输入的关系，即漏极电流ID与栅极与源极之间电压VGS的变化比，其数学算数公式为：gfs＝dID/dVGS，式中gfs表示场效应管的正向跨导。在场效应管的转移特性曲线上，gfs为转移特性曲线切线的斜率，反映的是场效应管中栅极与源极之间电压VGS对漏极电流ID的控制能力。在切换动作的电路中，gfs值越高越好。因此gfs是判断场效应管性能优劣的重要参数。
在场效应管的量产中，gfs测试采用在被测场效应管的漏极与源极之间并联一具有测电流功能的电压源，该电压源提供gfs测试所需的漏极与源极之间的电压VDS以及漏极电流ID。在被测场效应管的栅极与源极之间分别并联一电压源及一个电压表。所述具有测电流功能的电压源的电流采样信号通过反馈控制所述电压源的输出电压VGS，所述电压表用于测量VDS、Id条件下的输出电压VGS。
在量产测试时，通常选择场效应管转移特性曲线上的两个采样点。测试条件分别为VDS1、ID1和VDS2、ID2(所述VDS1和ID1分别表示第一个采样点的漏极与源极之间的电压以及漏极电流，所述VDS2和ID2分别表示第二个采样点的漏极与源极之间的电压以及漏极电流)，并且VDS1＝VDS2。测量两个采样点在上述测试条件下的对应输出电压VGS1和VGS2，然后带入公式从而计算gfs的数值。目前，在量产测试中，多使用半导体分立器件专用测试设备测量场效应管的正向跨导。
针对模拟器件或者数模混合器件的自动测试设备(ATE，Automatic TestEquipment)更为通用，可以测试多种类型的半导体器件。自动测试设备能够提供多种规格的电压/电流源(VIS，Voltage Current Source)模块，其中单个VIS模块包括多个四线开尔文测试通道，每个四线开尔文测试通道都具有恒压输出或者恒流输出工作模式，此外还具有测量电压及测量电流的功能，可提供多种电压/电流源(VIS，Voltage Current Source)。开尔文测试通道的四个信号端分别为驱动信号线高端FORCE_HIGH(简写为FH)、驱动信号线低端FORCE_LOW(简写为FL)、电压检测信号线高端SENSE_HIGH(简写为SH)和电压检测信号线低端SENSE_LOW(简写为SL)。其中信号端FH和FL用于驱动被测器件(DUT)相关引脚的电压和电流；信号端SH和SL用于检测被测器件相关引脚的电压。
但是所述自动测试设备中的不同的四线开尔文测试通道之间不具备反馈控制功能，因此无法直接采用上述反馈控制方式实现gfs的测量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种场效应管测试电路及测试方法，其中所述测试电路包括：
恒压工作模式的第一路四线开尔文测试通道，其信号端FH、FL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接组成回路，在所述回路中串联有电流采样电阻；其信号端SH、SL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接；
运算放大器，其一输入端连接所述电流采样电阻的电压反馈，另一输入端连接一路电压源；
电压检测电路，用于检测所述被测场效应管的栅极与源极之间的电压。
由上，第一路四线开尔文测试通道用于提供被测场效应管的漏极与源极电压；电压源提供被测场效应管的栅极、源极电压；运算放大器检测电流采样电阻的反馈电压与所述被测场效应管的栅极与源极电压的大小，二者相同时表示电路稳定。上述电路实现了四线开尔文测试通道的反馈，结合测试条件所规定的电流值即可依据正向跨导的计算公式完整被测场效应管的正向跨导测试。
其中，所述电压源为一恒压工作模式的第二路四线开尔文测试通道。
其中，所述电压检测电路为一电压测量模式的第三路四线开尔文测试通道。
由上，实现了通用型自动测试设备上多路四线开尔文测试通道彼此之间的反馈，进而可依据正向跨导的计算公式完整被测场效应管的正向跨导测试。
其中，还包括电流检测电路，用于检测所述被测场效应管的漏极电流。
由上，实现对于漏极电流的检测，通过测量得到的漏极电流实现跨导测试的计算。
其中，所述电流检测电路包括：电压表，与所述电流采样电阻并联。
由上，在电流采样电阻R两端并联一电压表，该电压表用于测量电流采样电阻两端的电压，进而通过欧姆定律可以得到流过电流采样电阻的电流，该电流即为被测场效应管的漏极电流。
其中，所述电流检测电路包括：电压表，与所述电压源并联。
由上，在电压源两端并联一电压表，该电压表测量电压源的输出电压，通过欧姆定律可以得到流过电流采样电阻的电流，即为漏极电流。
其中，还包括逻辑控制模块，与所述四线开尔文测试通道的模数/数模接口连接，用于控制各测试通道电压、电流的驱动时间。
由上，在测试过程中精确控制被测场效应管的漏极与源极之间电压的施加时间，以避免被测场效应管的瞬态功率较大，其结温会升高而导致被测场效应管出现损坏的问题。
其中，所述第一路四线开尔文测试通道的信号端FL和SL之间、信号端FH和SH之间并联有稳压二极管。
由上，由于所述电流采样电阻串联在所述第一路四线开尔文测试通道的FL信号线中，因此会增加第一路四线开尔文测试通道的FL和SL之间的电压差，因此在实际使用时，增加稳压二极管以避免FL和SL之间的电压差超过设计所允许的最大电压差。
本发明还提供一种上述测试电路的测试方法，包括步骤：
A、第一路四线开尔文测试通道提供被测场效应管漏极与源极之间的电压；
B、电压源输出电压以调控被测场效应管的漏极电流为第一漏极电流ID；
C、运算放大器的输出电压稳定后，取得所述第一漏极电流ID以及被测场效应管栅极与源极之间的第一电压VGS；
D、电压源调整输出电压以调控被测场效应管的漏极电流为第二漏极电流I’D；
E、运算放大器的输出电压再次稳定后，取得所述第二漏极电流I’D以及被测场效应管栅极与源极之间的第二电压V’GS；
F、基于正向跨导的计算公式计算被测场效应管的正向跨导。
由上，第一路四线开尔文测试通道用于提供被测场效应管的漏极与源极电压；第二路四线开尔文测试通道用于提供被测场效应管的栅极、源极电压；运算放大器检测电流采样电阻的反馈电压与所述被测场效应管的栅极、源极电压的大小，二者相同时表示电路稳定，从而由第一路四线开尔文测试通道检测被测场效应管的漏极电流，由第三路四线开尔文测试通道检测被测场效应管的栅极与源极电压，从而实现了多通道四线开尔文测试通道的反馈，进而可依据正向跨导的计算公式完整被测场效应管的正向跨导测试。
本发明还提供一种上述测试电路的测试方法，包括步骤：
A、第一路四线开尔文测试通道提供被测场效应管漏极与源极之间的电压；
B、电压源调整输出电压以调控测场效应管的漏极电流ID；
C、运算放大器的输出电压稳定后，测量被测场效应管的栅极与源极之间电压为夹断电压VGS。
由上，测量所述夹断电压VGS用于表征所述被测场效应管的漏极与源极由截止变为导通，或者由导通变为截止需向所述被测场效应管施加的栅极与源极电压。
附图说明
图1为场效应管正向跨导测试电路的实现图；
图2为场效应管正向跨导测试电路的原理图；
图3为场效应管正向跨导测试方法的流程图；
图4为第二路四线开尔文测试通道输出信号时序的第一情况示意图；
图5为第二路四线开尔文测试通道输出信号时序的第二情况例示意图；
图6为四线开尔文测试通道的内部原理示意图。
具体实施方式
下面参见图1～图6对本发明所述的场效应管测试电路及测试方法进行详细说明。
所述场效应管正向跨导测试电路包括与被测场效应管的源极串联连接的电流采样电阻R。还包括三路四线开尔文测试通道，在图1中对应为VIS-01、VIS-02和VIS-03。所述第一、第二路四线开尔文测试通道VIS-01、VIS-02设置为恒压工作模式、第三路四线开尔文测试通道VIS-03设置为电压测量模式。
第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FH和SH短接于被测场效应管的漏极。
信号端SL连接于被测场效应管的源极。
被测场效应管的源极串联一电流采样电阻R后，连接于第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FL。
上述连接方式使得第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FH、FL与被测场效应管的漏极、源极以及电流采样电阻R构成一个电流回路，通过信号端FH、FL提供被测场效应管的漏极与源极之间的电压VDS以及被测场效应管的漏极电流ID；VIS-01通过其信号端SH和SL检测被测场效应管的漏极与源极电压反馈调整其FH对FL的输出电压，由此可以补偿传输回路中的压降，保证被测场效应管的漏极与源极电压既为正向跨导测试条件所规定的VDS。
可选的，所述电流采样电阻R还可串联于被测场效应管的漏极，即第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FH、FL与电流采样电阻R、被测场效应管的漏极以及源极构成一个电流回路。
对于被测场效应管的漏极电流ID可通过第一路四线开尔文测试通道VIS-01的检测；或者也可通过在电流采样电阻R两端并联一电压表(未图示)，该电压表用于测量电流采样电阻R两端的电压，进而通过欧姆定律可以得到流过电流采样电阻R的电流，该电流实际上也就是被测场效应管的漏极电流ID；又或者还可通过在后文所述第二路四线开尔文测试通道VIS-02两端并联一电压表(未图示)，该电压表测量第二路四线开尔文测试通道VIS-02的输出电压，通过欧姆定律可以得到流过电流采样电阻R的电流，即为漏极电流ID。
第二路四线开尔文测试通道VIS-02的信号端SH和FH短接后，串联第一保护电阻R2的一端，第一保护电阻R2的另一端连接于一运算放大器N1的同相输入端。
所述电流采样电阻R与被测场效应管源极连接的一端串联第二保护电阻R3后，连接于所述运算放大器N1的反相输入端。所述第二保护电阻R3的阻值与第一保护电阻R2的阻值相同。
所述运算放大器N1的输出端串联第三保护电阻R1后，连接于被测场效应管的栅极。
第二路四线开尔文测试通道VIS-02的信号端FL和SL短接后，连接于所述电流采样电阻R与第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FL相连接的一端。
上述连接方式使得第二路四线开尔文测试通道VIS-02的恒压输出通过运算放大器N1驱动被测场效应管的栅极与源极之间的电压、以及漏极电流的改变，运算放大器N1得以检测到与被测场效应管串联连接的电流采样电阻R的电压反馈，并将第二路四线开尔文测试通道VIS-02的恒压输出与电流采样电阻R的电压反馈进行比较。
可选的，上述第二路四线开尔文测试通道VIS-02还可如图2所示，采用电压源替代。
第三路四线开尔文测试通道VIS-03的信号端SH与被测场效应管的栅极连接，第三路四线开尔文测试通道VIS-03的信号端SL与被测场效应管的源极连接。
上述连接方式使得第三路四线开尔文测试通道VIS-03的信号端SH、SL测量被测场效应管栅极与源极之间的电压。
可选的，所述第三路四线开尔文测试通道VIS-03还可采用一电压表替代。
如图3所示，本申请所述场效应管测试电路的测试方法的第一实施例如：
步骤S10：第一路四线开尔文测试通道VIS-01提供被测场效应管漏极与源极之间的电压。
第一路四线开尔文测试通道VIS-01通过其输出信号端FH和FL提供被测场效应管的漏极与源极之间的电压，其采集信号端SH和SL检测被测场效应管的漏极与源极之间的电压，通过第一路四线开尔文测试通道VIS-01内部的电路反馈调节其输出电压，使被测场效应管的漏极与源极之间的电压达到满足测试条件的电压值VDS。
步骤S11：第二路四线开尔文测试通道VIS-02提供被测场效应管栅极与源极之间的电压，以用于调控被测场效应管的第一漏极电流ID。
依据计算公式式中VVIS-02表示第二路四线开尔文测试通道VIS-02的恒压输出，R表示电流采样电阻R的阻值，ID表示gfs参数测试所需的第一漏极电流。由于R、ID已知，因此可以确定第二路四线开尔文测试通道VIS-02的恒压输出VVIS-02。
当第二路四线开尔文测试通道VIS-02输出电压VVIS-02后，运算放大器N1的输出电压会驱动被测场效应管的栅极与源极之间电压改变，进而驱动被测场效应管的漏极电流改变。
步骤S12：当电路稳定后，第一路四线开尔文测试通道VIS-01测量被测场效应管的第一漏极电流ID，第三路四线开尔文测试通道VIS-03测量被测场效应管的第一栅极与源极之间的电压VGS。
本步骤中，判断电路稳定由运算放大器N1执行，判断原理为：所述第二路四线开尔文测试通道VIS-02恒压输出电压VVIS-02至运算放大器N1的同相输入端，进而驱动被测场效应管的栅极与源极之间的电压改变(由0逐渐增大直至稳定)，从而使得被测场效应管的漏极与源极之间的电流改变，上述改变可参考附图3、4。所述电流采样电阻R将被测场效应管的第一漏极电流ID转换为电压VR后反馈到运算放大器N1的反相输入端，当运算放大器N1反相输入端接收的电压(VR)与其同相输入端所接收的电压(VVIS-02)相等时即为电路稳定。
电路稳定后，被测场效应管的漏极电流即为gfs参数测试所规定的第一漏极电流值ID，由第一路四线开尔文测试通道VIS-01测量。第三路四线开尔文测试通道VIS-03用于测量被测场效应管的栅极与源极之间的电压VGS。
步骤S13：调整第二路四线开尔文测试通道VIS-02的输出电压，以调控被测场效应管的漏极电流为第二漏极电流I’D。
与步骤S11同理，依据计算公式式中V’VIS-02表示调整后第二路四线开尔文测试通道VIS-02的恒压输出，I’D表示gfs参数测试所规定的第二漏极电流值。
步骤S14：当电路稳定后，第一路四线开尔文测试通道VIS-01测量第二漏极电流I’D，第三路四线开尔文测试通道VIS-03测量被测场效应管的第二栅极与源极之间的电压V’GS。
与步骤S12同理，电流采样电阻R将由输出电压V’VIS-02所驱动的被测场效应管的第二漏极电流I’D转换为电压V’R，当运算放大器N1的反相输入端所接收的电压电压(V’R)与其同相输入端所接收的调整后电压(V’VIS-02)相等后，被测场效应管的漏极电流即为gfs参数测试所规定的第二漏极电流值I’D，由第一路四线开尔文测试通道VIS-01测量。第三路四线开尔文测试通道VIS-03测得调整后的测量被测场效应管的栅极-源极间的电压V’GS。
步骤S15：基于正向跨导的计算公式计算被测场效应管的正向跨导。
上述第一实施例中第二路四线开尔文测试通道VIS-02的输出信号时序的包括两种情况。如图4所示为第一种情况，其中，被测场效应管的漏极与源极之间的电压VDS保持稳定，第二路四线开尔文测试通道VIS-02的前后两次输出的恒压之间设置一定时间间隔，用于调节施加漏极电流的占空比。上述设置时间间隔的目的在于被测场效应管的瞬态功率较大，其结温会升高，设置间隔时间可以有效避免其高温的持续时间。
如图5所示为第一实施例中第二路四线开尔文测试通道VIS-02的输出信号时序的第二种情况，与第种情况的区别在于：第二路四线开尔文测试通道VIS-02的前后两次输出电压连续，且脉冲持续时间较短，由此可以在相对短的时间内完成两次漏极电流以及栅极与源极电压的测量。
步骤S15：计算被测场效应管的正向跨导。
基于正向跨导的计算公式便可以直接计算出被测场效应管的正向跨导。
另外，本发明还提供另外一种测试方法的实施例，包括：
步骤S10，与第一实施例相同，不再赘述。
步骤S11’：控制第二路四线开尔文测试通道VIS-02以调控被测场效应管的漏极电流。
步骤S12’：第三路四线开尔文测试通道VIS-03直接测量被测场效应管的栅极与源极之间的电压VGS。通过该电压反应被测场效应管的夹断电压。所述夹断电压的物理意义与前述步骤S12和步骤S14中所述的被测场效应管的栅极-源极间的电压相同。
另外，本发明还提供测试方法的第三实施例，包括：
直接使用测试条件所规定的电流值计算gfs。举例来说，假设现在需要在被测场效应管的漏极与源极之间的电压VDS＝10V、第一漏极电流值ID1＝2A以及被测场效应管的漏极与源极之间的电压VDS＝10V、第二漏极电流值ID2＝1.5A这两个条件下计算gfs，依据上述测量电路，实测得到两个测试条件所对应的被测场效应管的第一栅极与源极电压和第二栅极与源极电压；然后将电流设定值2A、1.5A以及实测得到的第一、第二栅极与源极电压代入gfs计算公式来得到gfs的测量结果。上述方法可以省略对于被测场效应管漏极电流ID的测量。
需要补充说明的是，在对被测场效应管进行正向跨导测试时，被测场效应管的瞬态功率较大，其结温会升高，为了降低被测场效应管结温变化对测试的影响以及对被测场效应管可能出现损坏，由此需要在测试过程中精确控制被测场效应管漏极与源极之间电压VDS以及第一漏极电流ID和第二漏极电流I’D的施加时间。如图6所示，在所述第一、第二、第三路四线开尔文测试通道内部增加具有可编程的逻辑控制模块以及存储单元，由此实现按照图4或图5所示的脉冲方式输出电压VDS、VVIS-02、V’VIS-02，从而可以精确的控制脉冲宽度。此外通过同步技术，即控制多个四线开尔文测试通道输出信号的时序。所述逻辑控制模块通过四线开尔文测试通道的模数/数模接口(ADC/DAC)进行通信，存储单元与所述逻辑控制模块通信连接。
进一步的，在第一路四线开尔文测试通道VIS-01的内部，其信号端FL和SL之间、信号端FH和SH之间并联有稳压二极管，用于防止FL和SL、FH与SH之间有较大的电压差。由于所述电流采样电阻R串联在所述第一路四线开尔文测试通道VIS-01的FL信号线中，因此会增加第一路四线开尔文测试通道VIS-01的FL和SL之间的电压差，因此在实际使用时，需要避免在信号端FL的信号线中增加电流采样电阻R后FL和SL之间的电压差超过设计所允许的最大电压差。
较佳的，在连接所述第一路四线开尔文测试通道VIS-01的信号端FH、被测场效应管的漏极、源极以及电流采样电阻R所组成电流回路的导线为宽线径导线，从而可以有效较低该电流回路的阻抗，避免传输导线上有较大的压降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种场效应管测试电路，其特征在于，包括：
恒压工作模式的第一路四线开尔文测试通道，其信号端FH、FL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接组成回路，在所述回路中串联有电流采样电阻；其信号端SH、SL分别与所述被测场效应管的漏极、源极连接；
运算放大器，其一输入端连接所述电流采样电阻的电压反馈，另一输入端连接一路电压源；
电压检测电路，用于检测所述被测场效应管的栅极与源极之间的电压。
2.根据权利要求1所述的测试电路，其特征在于，所述电压源为一恒压工作模式的第二路四线开尔文测试通道。
3.根据权利要求1所述的测试电路，其特征在于，所述电压检测电路为一电压测量模式的第三路四线开尔文测试通道。
4.根据权利要求1所述的测试电路，其特征在于，还包括电流检测电路，用于检测所述被测场效应管的漏极电流。
5.根据权利要求4所述的测试电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：电压表，与所述电流采样电阻并联。
6.根据权利要求4所述的测试电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：电压表，与所述电压源并联。
7.根据权利要求1、2或3任一所述的测试电路，其特征在于，还包括逻辑控制模块，与所述四线开尔文测试通道的模数/数模接口连接，用于控制各测试通道电压、电流的驱动时间。
8.根据权利要求1所述的测试电路，其特征在于，所述第一路四线开尔文测试通道的信号端FL和SL之间、信号端FH和SH之间并联有稳压二极管。
9.一种基于权利要求1～8任一所述测试电路的测试方法，其特征在于，包括步骤：
A、第一路四线开尔文测试通道提供被测场效应管漏极与源极之间的电压；
B、电压源输出电压以调控被测场效应管的漏极电流为第一漏极电流ID；
C、运算放大器的输出电压稳定后，取得所述第一漏极电流ID以及被测场效应管栅极与源极之间的第一电压VGS；
D、电压源调整输出电压以调控被测场效应管的漏极电流为第二漏极电流I’D；
E、运算放大器的输出电压再次稳定后，取得所述第二漏极电流I’D以及被测场效应管栅极与源极之间的第二电压V’GS；
F、基于正向跨导的计算公式计算被测场效应管的正向跨导。
10.一种基于权利要求1～8任一所述测试电路的测试方法，其特征在于，包括步骤：
A、第一路四线开尔文测试通道提供被测场效应管漏极与源极之间的电压；
B、电压源调整输出电压以调控测场效应管的漏极电流ID；
C、运算放大器的输出电压稳定后，测量被测场效应管的栅极与源极之间电压为夹断电压VGS。
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