使用源測量單元分析大功率IV特性

1. 脈沖測試的優勢

在脈沖模式下進行測試有兩個主要優勢：

更寬的功率邊界——使用單個SMU在高瞬時功率下進行測試

輸出高功率脈沖適用于某些設備的IV特性分析，例如高亮度LED、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和MOSFET；而輸入高功率脈沖則適用于SMU作為功率管理IC等設備的負載的情況。 具有更寬脈沖邊界的SMU可讓您進行高功率測試，而且無需為了獲得更高功率而使用多個SMU。

最小化DUT的自熱效應——只需有限的散熱設施或在沒有散熱設施的情況下測試高功率元件

一般來說，SMU所提供的功率會由于轉化成待測設備(DUT)的熱能而發生損耗。 這樣一來不但會提高溫度，還會改變DUT的電子屬性和物理屬性。 在特定的溫度下，DUT的屬性會大幅變化，使得獲得的IV數據非常不準確，或者損壞DUT。 使用脈沖供電替代恒定直流電源可減少DUT的平均功率損耗，并最小化DUT的自熱效應。 實際上，測試工程師發現使用脈沖測試非常有必要，因為這樣他們不必使用精密的熱管理系統也可以測試高功率設備。

2. 脈沖輸出架構

具有寬脈沖范圍的SMU通常會采用一種特殊的輸出架構，使功率暫時超出額定的DC范圍。 舉例來說，NI PXIe-4139精確系統SMU可產生高達500 W的脈沖，遠超過20 W DC的限制。

NI PXIe-4139具有足夠大的內部電容，可支持SMU的內部電源(Vpwr)暫時超過20 W的最大DC輸出限制，從而能夠輸出很短的大功率脈沖，而不必受限于輸出范圍的限制。

由于NI PXIe-4139等SMU暫時輸出的功率高于通過電源所提供的功率，因此其受限于輸出高功率的速度與持續時間。 一般來說，SMU的幾個主要脈沖參數會存在一定的限制范圍，這樣才能夠確保SMU可穩定輸出所需的功率，而且不會因為吸入太多功率而出現過熱。 當SMU在擴展的脈沖邊界范圍運行時，必須注意一些脈沖參數，例如占空比、最大功率、最大/最小脈沖持續時間、最小脈沖周期。

3. 脈沖測試與DC測試比較

大多數采用SMU的半導體測試應用都會涉及某種形式的輸出與測量操作。 基本的DC掃描會逐步增大輸出直到序列完成，下圖所示的是一個五步遞增的電流值序列。

脈沖掃描和DC掃描的相似之處在于我們需要輸出一個設定值，等待這個值穩定下來之后再進行測量。 脈沖測試的主要差異在于電源會在短暫的脈沖時間結束后回歸偏置電平。 在大多數情況下，偏置電平的設置是為了關閉DUT(例如0V或0A)。

在理想的情況下，上面兩個圖中的脈沖序列和DC序列都會返回相同的IV數據。 然而，如前所述，DC序列會導致DUT散發更多熱能，功率損耗更大，導致電路行為異常或測試結果不如人意。 因此脈沖測試更適合這類應用。

以脈沖模式進行測試時，脈寬必須夠長才能讓設備達到完全接通狀態和進行穩定的測量，但同時脈寬也必須足夠短才能盡可能減小DUT的自熱。 脈沖測試時，快速清晰的SMU響應十分重要，因為SMU的初始電平一般是脈沖偏置電平，而不是在輸出電平的基礎上小幅逐步增加。

根據待測設備的阻抗和所需的脈沖特性，SMU的瞬態響應可能過快或過慢。 當響應過快時，輸出電平會發生過沖或者不穩定，可能會對待測設備造成損害。 如果響應過慢，SMU在脈沖持續期間將無法達到所需的輸出值。 在這兩種極端情況下，SMU都無法快速穩定下來進行測量，脈沖寬度必須延長。 這樣一來就影響了整個測試序列，增加待測設備的散熱。

生成非常狹窄的脈沖時，一定要避免上述兩種情況，因為這會導致IV數據很不理想。 為了確保SMU能生成清晰的脈沖，比下圖所示的脈沖， 我們需要使用具有足夠高采樣率的儀器來捕捉詳細的SMU瞬態響應特性。 以前，觀察瞬態響應使用的是外部示波器；但現在一些SMU內部配置了數字化儀。

將脈沖數字化的另一個好處是我們能夠可視化所需的延遲和測量窗口（空隙時間）。 SMU通常在源延遲之后立即開始測量，因此優化源延遲對于脈沖測試非常重要。 如果源延遲過短，SMU就會開始測試，而同時輸出仍然在升高，這樣就會導致數據不準確。 如果源延遲過長，測量窗口縮小，測量精度就會降低。

4. 應用實例： 高功率LED的脈沖測試

為了展示SMU的脈沖性能，我們將使用NI PXIe-4139對CREE高功率LED進行特性分析。 由于這款LED的IV要求(37 Vf、2.5 Imax)，我們必須在擴展的脈沖邊界范圍內運行SMU，這樣才能夠生成遠超過20 W DC 限制的500 W脈沖。

針對這款LED的IV特性分析，我們將對LED進行0到2.5 A的電流掃描。如果使用傳統的DC序列來測試LED特性，就會面臨兩個挑戰。 第一，為了滿足IV掃描所需的電流和電壓， 我們可能需要同時使用多個SMU。 這些額外的SMU不僅使得整個裝置在線路連接和編程方面變得復雜，還增加了測試系統的規模和成本。 其次，我們為這個小型的LED提供了高達100W的電量。 如果沒有按下圖所示的那樣安裝散熱裝置，則直流供電時間過長可能會損壞LED。 使用脈沖模式的SMU就可以避免這兩個難題，因為我們只需使用一個儀器既可以對LED進行完整的IV掃描，而不需要借助外部散熱裝置。

為了盡可能提高測試速度，同時降低通過LED的熱能耗散，我們將使用儀器的最小脈寬，也就是50 µs。 生成可用的50 µs脈沖其實很困難，為了確保能夠從SMU獲得清晰、穩定的脈沖，我們必須利用NI PXIe-4139特有的兩個功能。第一，我們將此儀器當作示波器使用，深入分析脈沖的瞬時特性。 其次，我們會使用NI SourceAdapt技術來自定義此脈沖，獲得快速上升時間，同時避免過沖或震蕩。

脈沖生成和數字化

生成高功率狹窄脈沖時，務必確保SMU響應快速且穩定。 這里所使用的SMU是NI PXIe-4139，該儀器具有內置數字化儀模式，采樣率高達1.8 MS/s，所以我們可使用這個SMU的測量功能對輸出進行數字化。 如果沒有這個功能，就需要外接可同時測量電流和高電壓的示波器。

將SMU脈沖數字化有助于深入分析脈沖特性，并且驗證序列的每一步上SMU都能夠進行準確的測量。 在本例中，我們會發現SMU不會在50 µs的時間窗內穩定下來，因此無法通過這些設置獲得準確的IV數據。 這時我們必須延長脈沖的持續時間，或是調整SMU的響應。

使用NI SourceAdapt進行脈沖整形

NI PXIe-4139搭載了NI SourceAdapt技術，可幫助用戶自定義SMU的瞬時響應。 在本例中，我們需要使用此功能來優化脈沖的上升時間，同時維持穩定響應，避免過沖。

上圖為SourceAdapt設置經過調整后的脈沖特性。 了解上述的脈沖特性之后，我們就可以確定SMU所需的穩定和空隙時間，確保最終的IV掃描返回的是準確的數據。 下圖顯示的是0到2.5 A的SMU掃描以及序列每個點的電壓和電流測量。

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5. 其他資源

脈沖是SMU相當實用的功能之一，可幫助您測試高功率設備，而不必使用多個SMU和散熱裝置，避免測試裝置變得復雜。 基于上述優勢，許多測試工程師對脈沖測試的青睞遠勝過傳統DC序列。 使用高功率脈沖進行測試時，SMU響應、脈沖規格、分析脈沖特性的能力都是采集高品質IV數據不可或缺的要素。