如何應對GaN測量挑戰

功耗是當今電子設計以及測試中最熱門也是競爭最激烈的領域之一。這是因為人們對高能效有強烈需求，希望能充分利用電池能量，幫助消減能源帳單，或者支持空間敏感或熱量敏感型應用。

在經過30年的發展之后，硅MOSFET發展已經接近其理論極限。硅技術的進步如今非常緩慢，很少量的進步都需要付出巨大的開發成本。而像碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等替代性半導體材料正在逐漸成為首選材料。特別是GaN在許多領域都得到了人們的青睞，因為它能將硅片用作基板，從而帶來與硅MOSFET相當接近的價格。由于GaN還處于生命周期的早期階段，因此在未來幾年內人們將見證到它顯著的改進。

這些新材料不僅通過更快的開關速度還通過降低導通電壓(Rds On)來提高效率。當然，任何一種新技術帶來的不僅是獨特的設計挑戰，還有測試與測量方面的挑戰。從測試角度看，這些材料所需的測試設備不僅要有更高的帶寬，還要有更高的靈敏度。使用現成的電壓探針并期望很小的信號失真和加載的日子已經成為過去。本文將簡要介紹GaN，然后重點討論測試方面的挑戰。

功耗突破

據IMS Research公司最新報告預測，2021年GaN功率半導體市場將從2011年的幾乎為零增長到超過10億美元。這家市場研究公司分析了這些產品的所有關鍵終端市場，最后發現電源、太陽能逆變器和工業電機驅動將是三個主要的增長點。

上述報告指出，在過去兩年中GaN晶體管開發不斷在提速。國際整流器公司(IR)的“GaNpowIR”和宜普公司(EPC)的“eGaN FET”器件的發布開啟了2010年的低壓市場。而Transphorm公司的600V GaN晶體管則帶來了GaN與高壓MOSFET和IGBT競爭的可能性。

預測GaN飛速增長的一個關鍵理由是新工藝能夠充分利用現有的生產基礎設施。這些制造工藝將GaN半導體成本從約10倍于傳統硅降低到了一個極具競爭力的水平，特別是對于要求提升性能的應用來說。其基本方法是在帶有氮化鋁緩沖層的硅基板頂部生長GaN。

舉例來說，宜普工藝開始于并不昂貴的硅晶圓。首先在硅片上生長一薄層的氮化鋁(AIN)，用于隔離器件結構與基板。對于200V及200V以下器件來說隔離層是300V的。在此基礎上再生長一層厚的阻性GaN層。這樣就為構建GaN晶體管提供了基礎。接著要在GaN層上涂覆電子發生材料。這一層將創建一個具有豐富自由電子的量子應力場。進一步處理將在柵極底部形成一個耗盡區。為了增強晶體管性能，使用與導通N溝道增強型功率MOSFET相同的方式在柵極上施加一個正電壓，如圖1所示。這種結構再被重復許多次就能形成一個實際的功率器件了。最終結果是一個適合功率開關的、極具成本效益的優秀解決方案。

圖1：宜普GaN可以利用現有生產基礎設施實現極高的成本效益。

在應用方面，IMS報告預測GaN首先會在電源領域取得較大吸引力，因為其總體系統成本的節省超過了器件的單位價格上升。這些應用包括PC和筆記本電源適配器、服務器等，而諸如室內空調等國內電器設備、微型光伏逆變器、電動汽車電池充電和其它新應用有可能在不久的將來也會用上GaN功率器件。

憑借其較寬的帶隙，GaN器件對高溫應用來說非常有吸引力。比如，汽車制造商就對在混合動力汽車中的電源轉換部分使用GaN器件非常感興趣。過去，發動機設計師都是在這些應用中使用硅功率MOSFET，但由于溫度方面的考量一般都要使電子器件遠離于發動機模塊。理想情況下，功率半導體應該鄰近發動機，以便縮短走線、減輕重量并降低壓降損失。GaN器件據報道可以承受高達300℃的溫度，在此溫度下仍能高效工作。

在信息處理和存儲系統，整個電源架構可以重新評估，以便充分發揮GaN材料的突出開關性能優勢。當交直流轉換器的輸出電壓上升時，效率將隨之提高。當總線電壓增加時，傳輸效率隨之提高。當頻率提高時，產品體積將變小。據宜普公司稱，GaN用作同步整流器時可以使能最后一級，再由最后一級使能前兩級，同時提高交直流轉換效率。GaN還能允許刪除中間級轉換器，實現單級轉換，從而省卻中間級轉換器的體積和成本。

GaN測試挑戰

與硅器件相比，GaN更加接近理想功率開關的特性，即阻塞無限幅度電壓、承載無限大電流、瞬時開關以及要求零驅動功耗。當然，GaN也無法達到完美境界，但比硅要更加接近完美。總之，GaN可以提供更高的阻塞電壓、更低的導通電阻和更快的速度。

通過比較測試表明，GaN FET通道能以納秒速度開關，甚至在承載高達10A電流、開關頻率約為80MHz的時候。GaN開關的缺點是電流峰值更快，壓降相應也更快。不僅GaN器件開關速度更快，而且其導通閾值在漏極至源極電阻不變的情況下也更低。

為了充分發揮新材料的優勢，需要使用示波器來表征GaN器件的行為，并測量開關過程中的損耗。當電壓擺幅為600V或更高時，GaN器件要求快速儀器才能跟得上。示波器需要具有足夠的帶寬來跟蹤開關過程，還需要具有足夠高的分辨率來捕獲低電壓時的開關過程。

探針是限制因素之一。目前最好的高壓差分探針提供約200MHz的帶寬，測量信號電壓高至1.5kV。一些單端高壓探針可以提供800MHz的帶寬，因此可以用來測量600V擺幅的信號。展望未來，可能需要kV測量范圍和GHz以上帶寬的探針,這樣的探針目前還沒有。

使用高壓探針的另外一個挑戰是確保探針之間有足夠的絕緣和間隙，并且不影響測量性能。舉例來說，長引線可能導致來自電路加載和振鈴的感應現象，從而使得判斷問題真正根源變得困難。測試設備制造商正在使用多種技術提高保真度，比如增加探針的阻尼電阻。

更高分辨率

高帶寬和高電壓通常是互相排斥的，因此為了測量600V的源極-漏極電壓以及毫伏級的柵極電壓，需要使用高分辨率的示波器。絕大多數示波器都是采用8位分辨率的ADC，但通過使用平均和高分辨率模式分辨率可以得到顯著提高。

對于具有自然重復特性的信號來說，平均法提供了大幅度提高信號垂直分辨率的有效途徑。這種以位數為測量單位的性能增強是總平均數的一個函數：

增強分辨率=0.5 log2(N)

其中：N代表要求的總的平均數

在許多示波器中，平均算法是用定點數學方法實現的。這意味著最大平均數是10,000，因此將總的分辨率位數限制在了理想的最大值14.64，見表1。這種平均方法可以保持完整的信號模擬帶寬。

表1：通過平均法得到的示波器垂直增強分辨率。

雖然對許多應用來說平均是一種很有用的技術，但這種方法不適合單次采集。此時的解決方案是使用積分平均技術計算和顯示在每次采樣間隔中所有連續采樣值的平均值。這種模式為過采樣有關波形的額外信息提供了一種折衷方法。在這種情況下，額外的水平采樣信息被代之以更高的垂直分辨率以及帶寬與噪聲的減少。

帶寬限制和使用這種平均技術得到的垂直分辨率提高幅度與儀器的最大采樣率和當前所選采樣率有關。表2顯示了使用最大采樣率為10GS/s的示波器能帶來的性能提升。垂直分辨率的位數增加量為0.5 log2*(D)(其中：D是抽取比率，或最大采樣率/實際采樣率),

最終的-3dB帶寬(除非受測量系統的模擬帶寬進一步限制)是：0.44*SR(其中：SR代表實際采樣率)。

表2：使用積分平均方法實現的垂直增強分辨率。

本文小結

隨著對提高功效要求的持續推進，具有30年發展歷史的硅MOSFET已經達到了實用性能極限。現在業界專家已經預見到替代產品的快速增長，最著名的要數GaN了，因為在硅基板上生長GaN的新制造工藝可以使用標準化的低成本CMOS工藝，這為GaN功率器件打開了一個廣闊的新型商業與工業應用大門。

由于具有高帶寬和高電壓的有效組合，GaN在測試與測量前沿面臨艱巨的挑戰，特別是在示波器的高電壓探針和高分辨率方面。目前可用的2.5kV和800MHz探針足夠600V器件使用，而平均技術還可以用來提升分辨率。在GaN這個重要領域，與GaN有關的產品和技術必將得到持續發展和改進。