CN107991640A - 半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置及校准方法 - Google Patents

半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，它包括分流器的电压端G和H分别与数字多用表的电压测量输入端HI和LO连接；分流器的电压端G和H分别与半导体分立器件测试系统的采样端B和C连接；分流器的电流端E和F分别与半导体分立器件测试系统的脉冲电流输出端A和D连接；解决了现有技术对半导体分立器件测试系统脉冲电流校准存在的测量不科学和不合理；脉冲电压测量精度不高，不能满足校准要求等技术问题。

Description

半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置及校准方法
技术领域
本发明属于测量仪器校准技术，尤其涉及一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置及校准方法。
背景技术
半导体分立器件测试系统主要由测试夹具、电流源和电流测量单元、电压源和电压测量单元、标准电阻和电阻测量单元、时基和时间测量单元、计算机和显示器等组成。是用于测试半导体分立器件的正向电压、反向漏电流、极间击穿电压等多参数的综合测试系统。
半导体分立器件测试系统采用脉冲测量方法，对被测器件施加脉冲电压或脉冲电流激励，测出其对应的响应，从而测出相关参数。目前，半导体分立器件测试系统的脉冲电压源输出电压可达2kV以上，脉冲电流可达2kA以上，脉冲宽度从20μs～10ms连续可调，脉冲电流最大允许误差达到±0.1％。
半导体分立器件测试系统可用来测试二极管、NPN型和PNP晶体三极管、MOSFET型管等器件的相关参数。现以测二极管的正向电压为例进行说明，按图1连线：
采用四线测量法和加流测压的方法，二极管放在专用的夹具上，半导体分立器件测试系统的A和D端为脉冲电流输出端，B和C端为采样端，用于测量电压。E和F为二极管的正端和负端，根据二极管电流大小，选择能满足要求的粗导线AE和DF将半导体分立器件测试系统脉冲电流输出端和二极管的正负端连接起来。用导线BE和CF将半导体分立器件测试系统的采样端和二极管正负端连接起来。采样端B和C用于测量二极管两端的正向电压，它为高输入阻抗，分流作用忽略不计。
测试时，半导体分立器件测试系统的AD端输出一个脉冲宽度为T的电流，加到二极管上，二极管正向导通，半导体分立器件测试系统的BC采样端测出二极管的正向电压。
对半导体分立器件测试系统产生的脉冲电流进行校准时，在图1中用高精度的标准电阻代替二极管，连线如图2所示。半导体分立器件测试系统产生的脉冲宽度为T的脉冲电流I流过标准电阻R后，在其上产生脉冲宽度为T的脉冲电压信号，用高精度的仪器测出此脉冲电压V，用欧姆定理计算出校准电流I0：I0＝V/R，则电流测量相对误差δI:δI＝(I-I0)/I0，如δI在误差范围内，合格，否则不合格。
根据量值传递要求，校准仪器的精度应比被校仪器精度高3倍以上，半导体分立器件测试系统产生的脉冲电流最大允许误差可达±0.1％，则标准电阻和测量脉冲电压的仪器的最大允许误差应优于±0.033％，才能满足要求。
目前，可用最大允许误差优于±0.033％的高精度电阻或分流器作为标准电阻，且有现存产品可供选择。测量脉冲电压有多种方法，可用数字示波器，其脉冲电压测量最大允许误差为±1％，不能满足要求。也可用波形记录仪，如日本日置公司(HIOKI)生产的8861型波形记录仪的8957高分辨率单元，其脉冲电压测量最大允许误差为±0.3％，不能满足要求。如用美国安捷伦公司生产的6 1/2位的34401A型数字多用表或美国福录克公司生产的61/2位的2000型数字多用表的直流电压测量或交流电压测量功能，测量脉冲宽度从20μs～10ms脉冲电压，由于仪器响应慢，无法测量。
目前现有技术常用的一种校准方法是：采用加流测压的方法，即给标准电阻两端加上脉冲电流，回读标准电阻两端的电压。按图2连线，设置半导体分立器件测试系统的脉冲电流为I，流过标准电阻R后，在R上产生脉冲电压，B和C采样端采集到此脉冲电压信号经处理后，半导体分立器件测试系统显示出脉冲电压值为V，用欧姆定理计算出校准电流I0：I0＝V/R，则电流测量相对误差δI:δI＝(I-I0)/I0，如δI在误差范围内，合格，否则不合格。此种方法中，V和R两个量中，只有R是已知的，V是仪器自已测的，由I0＝V/R计算出的I0的精度将由仪器自已的脉冲电压测量精度决定，有时，由于分辨率不高，明显感觉脉冲电压测量精度不高，但测得的电压V值精度较高，是否通过软件对测得的数据进行修正也不清楚。因此，这种方法既不科学又不合理；存在脉冲电压测量精度不高，不能满足校准要求等技术问题。
发明内容：
本发明要解决的技术问题：提供一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置及校准方法，以解决现有技术对半导体分立器件测试系统脉冲电流校准存在的测量不科学和不合理；脉冲电压测量精度不高，不能满足校准要求等技术问题。
本发明技术方案：
一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，它包括分流器的电压端G和H分别与数字多用表的电压测量输入端HI和LO连接；分流器的电压端G和H分别与半导体分立器件测试系统的采样端B和C连接；分流器的电流端E和F分别与半导体分立器件测试系统的脉冲电流输出端A和D连接。
所述分流器为加拿大高联公司生产的9230A系列精密电流分流器。
数字多用表为美国安捷伦公司生产的34411A型数字多用表。
所述的半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置的校准方法，它包括：
步骤1、将半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流信号加到分流器的电流端E和F上，分流器的电压端G和H输出的电压信号加到数字多用表的电压测量输入端HI和LO上；
步骤2、根据要校准的电流点，设置半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流I和脉冲宽度T；
步骤3、设置数字多用表的测量功能：设置为直流电压DCV测量功能；
步骤4、设置数字多用表的触发功能：设置为内部电平触发功能；
步骤5、设置数字多用表的触发电平：如半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流为I，分流器的电阻为R，设置数字多用表的触发电平在0～V之间；V为分流器两端产生的脉冲电压幅度值，由公式V＝IR计算得出；
步骤6、设置数字多用表的触发方式：被测信号为正脉冲时设置为上升沿触发，被测信号为负脉冲时设置为下降沿触发；
步骤7、设置数字多用表的积分时间：根据被测信号的精度要求，决定其分辨率，由分辨率设置数字多用表的积分时间；
步骤8、启动半导体分立器件测试系统脉冲电流输出；
步骤9、数字多用表测得的电压值为V0，根据公式I0＝V0/R计算出I0,则电流测量相对误差δI＝(I-I0)/I0。
本发明的有益效果：
本发明简单可靠，使用方便。由一台分流器和一台数字多用表即可构成整个校准装置。高精度分流器电流量程从10A到5kA，用高精度的分流器，将脉冲电流转换成脉冲电压，在数字多用表的直流电压(DCV)测量功能下，用内部(电平)触发功能，实现脉冲宽度≥20μs，脉冲电压幅度从mV级到1000V的脉冲电压信号的测量。电压测量最大允许误差为：±(0.003％读数+0.008％量程)；解决了现有技术对半导体分立器件测试系统脉冲电流校准存在的测量不科学和不合理；脉冲电压测量精度不高，不能满足校准要求等技术问题。
附图说明：
图1为现有技术半导体分立器件测试系统测试二极管的正向电压接线及波形示意图；
图2为现有技术对半导体分立器件测试系统产生的脉冲电流进行校准时用高精度的标准电阻代替二极管接线及波形示意图；
图3为本发明校准装置接线及波形示意图。
具体实施方式：
一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，它包括分流器的电压端G和H分别与数字多用表的电压测量输入端HI和LO连接；分流器的电压端G和H分别与半导体分立器件测试系统的采样端B和C连接；分流器的电流端E和F分别与半导体分立器件测试系统的脉冲电流输出端A和D连接。
本发明中所有的接线端均采用线鼻子进行接线，目的是为了使接线牢固可靠，提高测量精度。
所述分流器为加拿大高联公司(GUILDLINE)生产的9230A系列精密电流分流器。
数字多用表为美国安捷伦公司(Agilent)的34411A型数字多用表。
所述的半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置的校准方法，它包括：
步骤1、将半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流信号加到分流器的电流端E和F上，分流器的电压端G和H输出的电压信号加到数字多用表的电压测量输入端HI和LO上；
步骤2、根据要校准的电流点，设置半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流I和脉冲宽度T；
步骤3、设置数字多用表的测量功能：设置为直流电压DCV测量功能；
步骤4、设置数字多用表的触发功能：设置为内部电平触发功能；
步骤5、设置数字多用表的触发电平：如半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流为I，分流器的电阻为R，设置数字多用表的触发电平在0～V之间；V为分流器两端产生的脉冲电压幅度值，由公式V＝IR计算得出；
步骤6、设置数字多用表的触发方式：被测信号为正脉冲时设置为上升沿触发，也称为POS触发；被测信号为负脉冲时设置为下降沿触发；也称为NEG触发；
步骤7、设置数字多用表的积分时间：根据被测信号的精度要求，决定其分辨率，由分辨率设置数字多用表的积分时间；
步骤8、启动半导体分立器件测试系统脉冲电流输出；
步骤9、数字多用表测得的电压值为V0，根据公式I0＝V0/R计算出I0,则电流测量相对误差δI＝(I-I0)/I0。
式中：δI为电流测量相对误差；I为半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流设置值；R为分流器的电阻值；I0为数字多用表测得的电压值V0，根据公式I0＝V0/R计算出的电流值0
如δI在误差范围内，合格，否则不合格。
本发明的分流器为加拿大高联公司生产的9230A系列精密电流分流器，它为高精度电流分流器。型号从9230A-10到9230A-5000共13种，额定电流从10A～5kA。主要技术指标：电流测量最大允许误差为±1.0×10-4，电流测量稳定性小于1×10-5/年，温度影响小于4×10-6/℃。为了满足从1A到5kA脉冲电流的校准，本发明分别采用四种不同型号的分流器：第1种型号为9230A-10，额定电流为10A，电阻值为1Ω；第2种型号为9230A-100，额定电流为100A，电阻值10mΩ；第3种型号为9230A-1000，额定电流为1000A，电阻值0.1mΩ；第4种型号为9230A-5000，额定电流为5kA，电阻值5μΩ，这4种型号的分流器就可将电流校准从1A到5kA全覆盖。
所述的脉冲电压测量用数字多用表实现，本实施例采用的数字多用表为美国安捷伦公司生产的34411A型数字多用表，它为6 1/2位数字多用表,它在4 1/2位时可实现50000读数/秒，即采样率为50kS/s，最小采样时间间隔为20μs。并且可设置模拟触发电平，可编程的预触发和后触发，除具有50000读数非易失存储器外，还附加1MB读数易失性存储器，易失存储器和触发能力达到1MS/s，触发反应和触发抖动均小于1μs。峰值检测能捕获短至20μs的脉冲信号，因此能捕获低频波形。
在34411A型数字多用表的直流电压(DCV)测量功能下，用内部(电平)触发功能，实现脉冲电压的测量。它能测量脉冲宽度≥20μs，脉冲电压幅度从mV级到1000V的脉冲电压信号，电压测量最大允许误差为：±(0.003％读数+0.008％量程)。
用34411A型数字多用表的直流电压(DCV)测量功能实现脉冲电压测量的设置方法如下：
用“＞”符号表示下一步。按前面板上的DCV(直流电压测量)＞Shift(转换)＞Trigger(触发)，仪器显示屏显示触发菜单：Ruto(自动)、Level(电平)、Hold(保持)3项可选择，用前面板上的或键移动光标选中Level＞Enter(确认)，仪器显示屏显示TrigLevel(触发电平)，输入所需要的触发电平＞Enter，仪器显示屏显示Trigger Slope(触发斜率)：Neg(正脉冲上升沿)、Pos(负脉冲下降沿)两项可选择，正脉冲时选POS，负脉冲时选NEG＞Enter。
积分时间设置：按前面板上Config(配置)＞仪器显示屏显示:INTEGRATION(积分),有NPLC(电源线路周期数)模式和APERTURE(孔径)模式2种可供选择。在NPLC模式下NPLC值从0.001PLC(电源线路周期)到100PLC共10档可供选择。在APERTURE(孔径)模式下，APERTURE是周期，以秒为单位，APERTURE值从20μs到1s可供选择。
NPLC值或APERTURE值对测量的影响为：数值越小，分辨率越低，测量精度越低，测量越快；数值越大，分辨率越高，测量精度越高，测量越慢。
如要允许常模(线路频率噪声)抑制，选NPLC模式；如果需要对积分时间进行精确控制，实现高精度测量，选APERTURE模式。本处选用APERTURE模式，仪器显示屏显示：APERTURE：0.00msec(毫秒)，用前面板上的或键左右移动光标选中0.00数字的某位，用前面板上的Δ(增大)或▽(减小)输入所需要的积分时间＞Enter。
所有参数设置好后，按Exit(退出)，仪器显示屏显示：SAVE(保存)CHANGES(改变)：NO(否)、YES(是)。用前面板上的或键左右移动光标选中YES＞Enter，即保存了当前的设置。此时仪器显示屏的Trig指示灯亮，处于等待触发状态，根据被测脉冲电压的大小，用前面板上的Δ或▽选择电压测量量程，有100mV、1V、10V、100V和1000V共5档可供选择。则每来一个脉冲电压，就测得一个电压值。

Claims (4)

1.一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，其特征在于：分流器的电压端G和H分别与数字多用表的电压测量输入端HI和LO连接；分流器的电压端G和H分别与半导体分立器件测试系统的采样端B和C连接；分流器的电流端E和F分别与半导体分立器件测试系统的脉冲电流输出端A和D连接。
2.根据权利要求1所述的一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，其特征在于：所述分流器为加拿大高联公司生产的9230A系列精密电流分流器。
3.根据权利要求1所述的一种半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置，其特征在于：数字多用表为美国安捷伦公司的34411A型数字多用表。
4.如权利要求1所述的半导体分立器件测试系统脉冲电流校准装置的校准方法，它包括：
步骤1、将半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流信号加到分流器的电流端E和F上，分流器的电压端G和H输出的电压信号加到数字多用表的电压测量输入端HI和LO上；
步骤2、根据要校准的电流点，设置半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流I和脉冲宽度T；
步骤3、设置数字多用表的测量功能：设置为直流电压DCV测量功能；
步骤4、设置数字多用表的触发功能：设置为内部电平触发功能；
步骤5、设置数字多用表的触发电平：如半导体分立器件测试系统输出的脉冲电流为I，分流器的电阻为R，设置数字多用表的触发电平在0～V之间；V为分流器两端产生的脉冲电压幅度值，由公式V＝IR计算得出；
步骤6、设置数字多用表的触发方式：被测信号为正脉冲时设置为上升沿触发，被测信号为负脉冲时设置为下降沿触发；
步骤7、设置数字多用表的积分时间：根据被测信号的精度要求，决定其分辨率，由分辨率设置数字多用表的积分时间；
步骤8、启动半导体分立器件测试系统脉冲电流输出；
步骤9、根据数字多用表测得的电压值为V0，根据公式I0＝V0/R计算出I0,则电流测量相对误差δI＝(I-I0)/I0。
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