CN220064275U - 跨导参数测试电路和测试系统 - Google Patents

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孙海洋
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Abstract

本申请涉及一种跨导参数测试电路和测试系统，跨导参数测试电路包括：第一电压源，第一电压源的第一端连接待测器件的第一极，第一电压源的第二端接地；电流源，电流源的第一端连接待测器件的第二极，电流源的第二端接地；积分单元，积分单元连接待测器件的第二极和第三极，在待测器件的第二极和第三极之间形成负反馈；第二电压源，第二电压源的第一端连接待测器件的第四极，第二电压源的第二端接地。在待测器件的第二极和第三极之间连接积分单元形成负反馈，并在待测器件的第四极设置第二电压源，避免第四极对测试的影响，能够提高跨导参数测试的安全性和准确性。

Description

跨导参数测试电路和测试系统
技术领域
本申请涉及半导体测试技术领域，特别是涉及一种跨导参数测试电路和测试系统。
背景技术
跨导是场效应管的一项重要参数，其大小表示VGS(FET管的栅极G与源极S之间的电压)对IDS(通过场效应管的D极与S极之间的电流)的控制强度。跨导一直作为场效应管的关键属性的一项，备受设计工程师和测试工程师的关注。
传统的跨导参数测试电路，包括D极电压源、S极电流源和共地电压测量单元，将场效应管的G极接地，分别将D极电压源、S极电流源连接在场效应管的D极和S极，在D极和S极之间施加电压和电流，共地电压测量单元测出S极的对地电压，根据采集的数据计算场效应管的跨导参数。由于测试时会将G极接地，容易导致G极、S极压差过大，严重时会产生大电流震荡，导致场效应管甚至测试设备损坏，存在测试安全性低的缺点。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高测试安全性的跨导参数测试电路和测试系统。
本申请第一方面提供一种跨导参数测试电路，包括：
第一电压源，所述第一电压源的第一端连接待测器件的第一极，所述第一电压源的第二端接地；
电流源，所述电流源的第一端连接所述待测器件的第二极，所述电流源的第二端接地；
积分单元，所述积分单元连接所述待测器件的第二极和第三极，且在所述待测器件的第二极和第三极之间形成负反馈；
第二电压源，所述第二电压源的第一端连接所述待测器件的第四极，所述第二电压源的第二端接地。
在其中一个实施例中，所述第一电压源和所述第二电压源包括恒压源或加压并测压的脉冲源，所述电流源包括恒流源或加流并测流的脉冲源。
在其中一个实施例中，所述积分单元包括跟随器和积分器，所述跟随器连接所述待测器件的第二极和所述积分器，所述积分器连接所述待测器件的第三极。
在其中一个实施例中，所述跟随器包括放大器OP1、电阻R1和电阻R2，所述积分器包括放大器OP2、电阻R3和电容C1；
所述放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R2连接所述待测器件的第二极，所述放大器OP1的反相输入端通过所述电阻R1连接所述放大器OP1的输出端，所述放大器OP1的输出端通过所述电阻R3连接所述放大器OP2的反相输入端，所述放大器OP2的同相输入端接地，所述放大器OP2的输出端连接所述待测器件的第三极；所述电容C1的第一端连接所述放大器OP2的反相输入端，所述电容C1的第二端连接所述放大器OP2的输出端。
在其中一个实施例中，所述积分单元还包括数据采样电路和电阻R4，所述数据采样电路与所述电容C1并联，且通过所述电阻R4连接所述待测器件的第三极。
在其中一个实施例中，跨导参数测试电路还包括差分测量单元，所述差分测量单元连接所述待测器件的第二极。
在其中一个实施例中，所述待测器件的数量为两个以上，所述电流源和所述积分单元的数量与所述待测器件的数量相同，各所述积分单元连接对应待测器件的第二极和第三极，各所述电流源的第一端连接对应待测器件的第二极，各所述电流源的第二端接地；各所述待测器件共用所述第二电压源，所述第二电压源连接各所述待测器件的第四极。
在其中一个实施例中，所述第一电压源为隔离电压源，所述隔离电压源的数量与所述待测器件的数量相同，各所述隔离电压源的第一端连接对应待测器件的第一极，各所述隔离电压源的第二端接地。
在其中一个实施例中，跨导参数测试电路还包括隔离模块，所述隔离模块的数量与所述待测器件的数量相同，所述第一电压源分别通过一所述隔离模块与所述待测器件的第一极连接。
本申请第二方面提供一种跨导参数测试系统，包括上述的跨导参数测试电路；跨导参数测试系统还包括主机箱和测试头，所述跨导参数测试电路中的第一电压源、第二电压源和电流源设置在所述主机箱内的资源板上，所述资源板通过测试线缆与所述测试头连接，所述跨导参数测试电路中的积分单元、差分测量单元与所述测试头连接，所述测试头与待测器件连接。
上述跨导参数测试电路和测试系统，在待测器件的第二极和第三极之间连接积分单元形成负反馈，并在待测器件的第四极设置第二电压源，避免第四极对测试的影响，能够提高跨导参数测试的安全性和准确性。
附图说明
图1为一个实施例中跨导参数测试电路的结构示意图；
图2为一个实施例中跨导参数测试的测试波形图；
图3为一个实施例中并联跨导参数测试的结构示意图；
图4为另一个实施例中并联跨导参数测试的结构示意图；
图5为另一个实施例中跨导参数测试系统的结构示意图。
附图标记说明：110、积分单元；112、跟随器；114、积分器；116、数据采样电路；120、差分测量单元；I1、电流源；U1、第一电压源；U2、第一电压源；DUT、待测器件。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在一个实施例中，如图1，提供了一种跨导参数测试电路，包括：第一电压源U1、第二电压源U2、电流源I1和积分单元110，其中：
第一电压源U1的第一端连接待测器件DUT的第一极，第一电压源U1的第二端接地；电流源I1的第一端连接待测器件DUT的第二极，电流源I1的第二端接地；积分单元110连接待测器件DUT的第二极和第三极，且在待测器件DUT的第二极和第三极之间形成负反馈；第二电压源U2的第一端连接待测器件DUT的第四极，第二电压源U2的第二端接地。其中，待测器件DUT的第三极和第二极之间的压差，决定待测器件DUT的第一极和第二极之间的输出特性；待测器件DUT的第四极为待测器件DUT的背面金属层。
具体地，积分单元110在待测器件DUT的第二极和第三极之间形成负反馈，即当待测器件DUT的第二极电压过低时，会导致积分单元110的输出正向增加，待测器件DUT的第三极和第二极之间的电压升高，待测器件DUT就会导通更彻底，待测器件DUT的导通电阻(即第一极和第二极之间电阻)减小，这样就会有更多的电流流入第二极的电流源I1，从而达到电流源要求的电压(即使第二极的电压提高)，电流源I1的输出电流就会提高；而当待测器件DUT的第二极电压过高时，会导致积分单元110的输出正向减少，待测器件DUT的第三极和第二极之间的电压降低，待测器件DUT的导通程度减小，待测器件DUT的导通电阻增大，这样流入电流源I1的电流就会减少，从而达到电流源要求的电压(即使第二极的电压减小)，电流源I1的输出电流就会降低。该负反馈的过程能够提高跨导参数测试的安全性。
其中，待测器件DUT可以是功率管，例如GaN功率管等；待测器件DUT也可以是其他压控器件。以待测器件DUT为功率管为例，待测器件DUT的第一极为漏极(D极)，待测器件DUT的第二极为源极(S极)，待测器件DUT的第三极为栅极(G极)。此外，待测器件DUT还含有第四极，例如待测器件DUT为GaN功率管时，GaN功率管的背面金属层(SUB引脚)为第四极。为便于理解，以下均以对GaN功率管进行跨导参数电压测试为例进行解释说明。
具体地，第一电压源U1连接GaN功率管的D极，电流源I1连接GaN功率管的S极，分别用作在GaN功率管的D极和S极施加电压和电流。第二电压源U2连接GaN功率管的背面金属层，在晶圆(CP)测试或四引脚器件测试时，保证GaN功率管的背面金属层处于一定的电平面，例如电平面为0V。第一电压源U1和第二电压源U2可以是仅用作提供电压的恒压源，也可以是采用能够加压和测压的脉冲源(PMU，Pulse Measure Unit)。本实施例中，第一电压源U1和第二电压源U2为加压并测压的脉冲源。进一步地，电流源I1可以是仅用作提供电流的恒流源，也可以是采用能够加流和测流的脉冲源。本实施例中，电流源I1为加流并测流的脉冲源。
积分单元110的具体结构并不唯一，在一个实施例中，积分单元110包括跟随器112和积分器114，跟随器112连接待测器件DUT的第二极和积分器114，积分器114连接待测器件DUT的第三极。其中，跟随器112和积分器114的结构也不是唯一的，可根据实际需要进行设计。本实施例中，跟随器112为电压跟随器，积分器114为反相积分器。
在一个实施例中，如图1所示，跟随器112包括放大器OP1、电阻R1和电阻R2，积分器124包括放大器OP2、电阻R3和电容C1。放大器OP1的同相输入端通过电阻R2连接待测器件DUT的第二极，放大器OP1的反相输入端通过电阻R1连接放大器OP1的输出端，放大器OP1的输出端通过电阻R3连接放大器OP2的反相输入端，放大器OP2的同相输入端接地，放大器OP2的输出端连接待测器件DUT的第三极；电容C1的第一端连接放大器OP2的反相输入端，电容C1的第二端连接放大器OP2的输出端。此外，积分单元110还可包括电阻R4，放大器OP2的输出端通过电阻R4连接待测器件DUT的第三极。
具体地，放大器OP1的同相输入端通过电阻R2与GaN功率管的S极连接，放大器OP2的输出端通过电阻R4与GaN功率管的G极连接。通过在GaN功率管的G极与S极之间增加跟随器112与积分器114，当GaN功率管的S极电压过低时，会导致积分器114正向积分，使GaN功率管的D极和S极电阻减小，从而提高GaN功率管的S极电压；当GaN功率管的S极电压过高时，会导致积分器114负向积分，使被GaN功率管的D极和S极电阻增大，从而减小GaN功率管的S极电压。即，通过增加跟随器112和积分器114，在GaN功率管的G极和S极之间形成负反馈，提高了跨导参数测试的安全性。利用跟随器112和积分器114中运放的虚短原理，保证GaN功率管的S极电压与地等电位。由于在GaN功率管的G极增加了积分器114，使单独对跨导参数测试中的G极波形调试成为可能，具有很高的易用性，测试波形如图2所示。
在一个实施例中，继续参照图1，积分单元110还包括数据采样电路116和电阻R4，数据采样电路116与电容C1并联，且通过电阻R4连接待测器件DUT的第三极。数据采样电路116具体可采用AD(Analogue-to-Digital，模数转换)采样电路，AD采样电路连接积分器114中放大器OP2的反相输入端和输出端，主要功能为将积分器114的前后数据进行采集处理。
此外，在一个实施例中，如图1所示，跨导参数测试电路还包括差分测量单元120，差分测量单元120连接待测器件DUT的第二极。具体地，差分测量单元120连接GaN功率管的S极，测量S极的对地电压。
待测器件DUT以GaN功率管为例，如图1所示，本申请提供的跨导参数测试电路中，在GaN功率管的G极增加跟随器112与积分器114，通过跟随器112和积分器114将VGS变化捕捉并采集，针对CP测试和四引脚器件的FT测试，在GaN功率管的SUB引脚增加了第二电压源U2，第二电压源U2的作用是保证CP测试或四引脚器件的FT测试时，GaN功率管的背面金属层处于一定的电平面，一般电平面为0V，GaN功率管的S端连接的电流源I1通过电流源拉电流的方式进行IDS输出。其中，以上提到的电压源和电流源可以是能够加压/加流并测压/测流的脉冲源。
上述跨导参数测试电路，在待测器件DUT的第二极和第三极之间连接积分单元110形成负反馈，并在待测器件DUT的第四极设置第二电压源U2，避免第四极对测试的影响，能够提高跨导参数测试的安全性和准确性。
进一步地，在GaN功率管的量产测试中，有以串测和并测为主要的两种测量方法，跨导参数测试电路采用并测方式对多个GaN功率管进行测试。在一个实施例中，待测器件DUT的数量为两个以上，电流源I1和积分单元110的数量与待测器件DUT的数量相同，各积分单元110连接对应待测器件DUT的第二极和第三极，各电流源I1的第一端连接对应待测器件DUT的第二极，各电流源I1的第二端接地；各待测器件DUT共用第二电压源U2，第二电压源U2连接各待测器件DUT的第四极。其中，根据测试设计不同，第一电压源U1的数量以及类型都会有所不同。
在一个实施例中，第一电压源U1为隔离电压源，隔离电压源的数量与待测器件DUT的数量相同，各隔离电压源的第一端连接对应待测器件DUT的第一极，各隔离电压源的第二端接地。其中，隔离电压源可以是电压源和隔离单元组成，隔离电压源也可以是具备隔离功能的电压源。如图3所示，第一电压源U1包括电压源1至电压源n，电压源n+1作为第二电压源U2，电流源I1包括电流源1至电流源n。本实施例中，基于电压源隔离技术将电压源做成隔离电压源，再将隔离电压源接入电路。
在另一个实施例中，跨导参数测试电路还包括隔离模块，隔离模块的数量与待测器件的数量相同，第一电压源U1分别通过一隔离模块与待测器件DUT的第一极连接。如图4所示，电压源1作为第一电压源U1，电压源2作为第二电压源U2，电流源I1包括电流源1至电流源n。本实施例中，利用隔离模块将测量回路与电压源1隔离开，每个测量回路均与其他测试回路保持并联关系，因此可以实现并测。
在一个实施例中，还提供了一种跨导参数测试系统，包括上述的跨导参数测试电路。其中，跨导参数测试系统还包括主机箱和测试头，跨导参数测试电路中的第一电压源、第二电压源和电流源设置在主机箱内的资源板上，资源板通过测试线缆与测试头连接，跨导参数测试电路中的积分单元、差分测量单元与测试头连接，测试头与待测器件连接。
本申请提供的上述跨导参数测试电路和测试系统，提出针对GaN等第三代半导体跨导参数测试的测试方案，同时充分考虑GaN材料的CP测试和四引脚器件的FT测试时SUB引脚的影响，在SUB引脚接入电压源保证恒定电位的基础上，利用积分单元在被测器件的G极和S极之间形成负反馈，提高了参数测试时的安全性。设置在被测器件G极的积分单元，使G极电压波形优化成为可能，易于测试设备使用。此外，本申请提出的多器件并联测试方案，可以实现多个待测器件的并测，且其中一个待测器件短路不会影响其他待测器件的测量结果。
为便于更好地理解上述跨导参数测试电路和测试系统，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
以增强型N沟道大功率MOSFET封装测试时所测试的跨导参数为例，目前的跨导参数测试方式为，在被测器件的D极和S极之间施加给定电压VDS和电流IDS，测量此时被测器件的G极和S极之间的电压VGS。通过调节不同的电流IDS，获得不同的电压VGS，计算出电流差值ΔIDS和电压差值ΔVGS，则被测器件的跨导可以由以下公式得出：
本申请提供的跨导参数测试电路，测试原理为：当GaN功率管的S极电压过低时，会导致积分器114正向积分，使GaN功率管的D极和S极电阻减小，从而提高S极电压；当GaN功率管的S极电压过高时，会导致积分器114负向积分，使GaN功率管的D极和S极电阻增大，从而减小S极电压。即通过增加跟随器112和积分器114，在GaN功率管的G极和S极之间形成负反馈，可以提高了跨导参数测试的安全性。通过利用跟随器和积分器运放的虚短原理，保证GaN功率管的S极电压与地等电位。此外，由于在GaN功率管的G极增加了积分器114，使单独对跨导参数测试中的G极波形调试成为可能，具有很高的易用性。
本方案的具体实施过程包含：如图2所示，首先，在T1阶段，将第一电压源U1和电流源I1分别接入GaN功率管的D和S两端，第二电压源U2为GaN功率管的SUB引脚提供等电势，一般为0V。其次，在T2阶段，通过第一电压源U1施加电压VDS，电流源I1在S端给定电流IDS，当GaN功率管的S极电压过低时，会导致积分器114正向积分，使GaN功率管的D极和S极电阻减小，从而提高S极电压；当GaN功率管的S极电压过高时，会导致积分器114负向积分，使GaN功率管的D极和S极电阻增大，从而减小S极电压。在T3阶段，调节电流源I1给定的电流IDS，通过积分器114两端的数据采样电路116将电压VGS变化值收集，再通过公式计算得到跨导的具体大小。在T4阶段，测试结束，第一电压源U1停止施加电压，电流源I1停止施加电流。
在量产测试中，由于CP测试及四引脚器件测试时多个GaN功率管的SUB管脚需要连在一起，因此在跨导测试过程中的多器件并测原理如图3和图4所示。图3中，基于电压源隔离技术将第一电压源U1做成隔离电压源，再将隔离电压源接入电路。图4中，利用隔离模块将测量回路与第一电压源U1隔离开，每个测量回路均与其他测试回路保持并联关系，因此可以实现并测。
如图5所示，跨导参数测试系统由主机箱、线束和测试头三部分组成，主机箱中包含测试头所需的控制模块以及各种资源板：电压源和电流源等，控制模块主要由PC和FPGA等可以实现控制的主控器件组成，负责整个测试系统的控制以及与外界的交互；资源板主要为测试过程中提供必要的电压源或电流源。主机箱通过线束与测试头相连，测试头主要负责根据被测产品搭建相应的测试回路。不同半导体测试的参数不同，需要的测试回路也不同，但是只要测试所需资源一致，就可以通过简单的更换测试头实现不同半导体产品的测试。具体地，本申请提供的跨导参数测试电路新增了积分单元，且由于G极电压独立于电压源和电流源存在，故改为在测试头中增加差分测量单元来实现跨导参数的电压测量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种跨导参数测试电路，其特征在于，包括：
第一电压源，所述第一电压源的第一端连接待测器件的第一极，所述第一电压源的第二端接地；
电流源，所述电流源的第一端连接所述待测器件的第二极，所述电流源的第二端接地；
积分单元，所述积分单元连接所述待测器件的第二极和第三极，且在所述待测器件的第二极和第三极之间形成负反馈；
第二电压源，所述第二电压源的第一端连接所述待测器件的第四极，所述第二电压源的第二端接地。
2.根据权利要求1所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述第一电压源和所述第二电压源包括恒压源或加压并测压的脉冲源，所述电流源包括恒流源或加流并测流的脉冲源。
3.根据权利要求1或2所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述积分单元包括跟随器和积分器，所述跟随器连接所述待测器件的第二极和所述积分器，所述积分器连接所述待测器件的第三极。
4.根据权利要求3所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述跟随器包括放大器OP1、电阻R1和电阻R2，所述积分器包括放大器OP2、电阻R3和电容C1；
所述放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R2连接所述待测器件的第二极，所述放大器OP1的反相输入端通过所述电阻R1连接所述放大器OP1的输出端，所述放大器OP1的输出端通过所述电阻R3连接所述放大器OP2的反相输入端，所述放大器OP2的同相输入端接地，所述放大器OP2的输出端连接所述待测器件的第三极；所述电容C1的第一端连接所述放大器OP2的反相输入端，所述电容C1的第二端连接所述放大器OP2的输出端。
5.根据权利要求4所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述积分单元还包括数据采样电路和电阻R4，所述数据采样电路与所述电容C1并联，且通过所述电阻R4连接所述待测器件的第三极。
6.根据权利要求3所述的跨导参数测试电路，其特征在于，还包括差分测量单元，所述差分测量单元连接所述待测器件的第二极。
7.根据权利要求1或2所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述待测器件的数量为两个以上，所述电流源和所述积分单元的数量与所述待测器件的数量相同，各所述积分单元连接对应待测器件的第二极和第三极，各所述电流源的第一端连接对应待测器件的第二极，各所述电流源的第二端接地；各所述待测器件共用所述第二电压源，所述第二电压源连接各所述待测器件的第四极。
8.根据权利要求7所述的跨导参数测试电路，其特征在于，所述第一电压源为隔离电压源，所述隔离电压源的数量与所述待测器件的数量相同，各所述隔离电压源的第一端连接对应待测器件的第一极，各所述隔离电压源的第二端接地。
9.根据权利要求7所述的跨导参数测试电路，其特征在于，还包括隔离模块，所述隔离模块的数量与所述待测器件的数量相同，所述第一电压源分别通过一所述隔离模块与所述待测器件的第一极连接。
10.一种跨导参数测试系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的跨导参数测试电路；跨导参数测试系统还包括主机箱和测试头，所述跨导参数测试电路中的第一电压源、第二电压源和电流源设置在所述主机箱内的资源板上，所述资源板通过测试线缆与所述测试头连接，所述跨导参数测试电路中的积分单元、差分测量单元与所述测试头连接，所述测试头与待测器件连接。
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