固态功率器件测试技术研究

时间：2024-09-03

王文娟，阚劲松，项道才，王文峰，殷玉喆

(工业和信息化部电子工业标准化研究院计量与检测中心，北京100076)

0 引言

近年来，固态功率器件的研发技术突飞猛进，其制作材料已由以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料发展到由SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料。并且，目前固态功率器件被广泛的应用于军事、民用、商用的雷达系统、卫星系统、基站、广播电视等通信系统中，因此，研发速度之快、应用范围之广以及应用领域的重要性使得对固态功率器件的测试要求不断提高，测试方法的改进也迫在眉睫。

1 测试方法的研究

1.1 固态微波功率器件测试中应关注的几点问题

在微波频率内直接测量微波部件和器件的S参数是比较困难的［1］，而如今，固态微波功率器件不断的向着大功率、高频率、高效率、宽频带的方向发展，这就给该类器件的测试带来更多的难题，因此，对于固态功率器件来讲，测试结果准确与否，需要总体考虑如下几点问题:

1)夹具的研制:固态功率器件由于其封装形式的特殊性，使得其无法与标准测试设备相连接，这就需要有一个桥梁来将被测器件和标准测试设备连接起来，这个桥梁就是测试夹具，因此，测试夹具使固态功率器件的测试成为可能;

2)阻抗匹配:固态微波功率器件由于其大功率的特点，使得整个测试系统中阻抗匹配问题显得更加的重要，阻抗不匹配将使输入功率大量的反射回源端，而使测试结果失真甚至得到错误的测试结果，因此，整个测试系统当中阻抗匹配良好是测试准确的前提;

3)误差:测试夹具的引入解决了固态功率器件无法与测试标准装置连接的问题，同时也不可避免的引入了计量测试中非常关注的因素——误差，由于夹具的引入使得测试结果包含了被测器件和夹具两部分数据，这就给被测器件的测试引入了很大的误差，因此，如何消除夹具引入的误差就成了得到被测器件“净”参数的关键;

4)自激或振荡:功率晶体管的测试当中，自激或振荡是影响测试的一个很重要的问题，它不仅使测试结果不准确，而且很可能造成晶体管的永久性损坏［2］。

1.2 夹具及校准件的研制

测试夹具是被测器件和标准测试设备间的纽带，有了测试夹具，才有可能将固态功率器件的测试进行下去。

通过多方调研及大量的试验研究，本文为某SiC晶体管设计研制了专用测试夹具，该夹具的设计根据器件的尺寸及特性，采用黄铜镀金材料及四分之一波长渐变微带线的技术，测试夹具整体上由3部分组成(如图1所示)，中间是晶体管的放置部分，两边是微带传输线及与标准设备连接的转接部分。

图1 测试夹具模型示意图

图2 专用测试夹具

另外，由于大部分大功率晶体管的输入输出阻抗很小，一般只有几欧姆甚至零点几欧姆［3，4］，那么，如此低的阻抗，如果直接与50 Ω微带线相连，将在反射面处形成很大的反射系数，这给失配问题的解决增加了难度，同时也由于反射系数的增大，使得测试结果的精度大幅下降［3］。因此，在测试夹具中要加入预匹配网络，使晶体管的阻抗到50 Ω的变化分两步或多步进行，以减小反射系数［3］。图2所示测试夹具，是根据某款SiC晶体管的尺寸及其特性阻抗，设计的一款专用测试夹具，该夹具实现了50 Ω到10 Ω的阻抗变换。

1.3 阻抗匹配

阻抗匹配是功率器件测试当中需要非常关注的问题，要使输入信号在测试系统中正常传输，阻抗匹配是首先要解决的问题。

在固态微波功率器件的测试当中，常常因为被测件和标准测试设备的输入输出阻抗相差较大，就需要采取措施来调节阻抗，使被测器件和标准测试设备间的输入输出阻抗达到良好匹配，这样，才能保证输入信号的正常传输，进而保证器件的正常工作和测试。

通常阻抗匹配的问题可以通过手动或自动阻抗调谐器采用负载牵引技术来解决。阻抗调谐器是通过内部探针的移动来测量各频率点的阻抗，测量时反复调节源端阻抗和负载端阻抗直至达到良好的阻抗匹配。理论上，当源端阻抗与被测件的输入阻抗、负载端阻抗与被测件的输出阻抗形成共轭匹配时，认为系统的阻抗匹配达到了最佳的效果，这时系统的输出功率或增益达到最大。负载牵引技术就是通过阻抗调谐器来不断地调节源端阻抗和负载端阻抗，尽可能减小反射功率，以找到输出功率或增益的最大值点［5］。阻抗调节系统示意图如图3所示。

图3 负载牵引基本原理图图

1.4 误差

夹具的引入不可避免的给被测器件的测试带来了误差，由于增加了测试夹具，所以测试结果是包含被测器件和夹具两部分的。那么要得到被测器件的真实性能参数，就必须把夹具的误差去除掉，这也是固态功率器件测试中遇到的难题。目前夹具误差的去嵌入多见SOLT和TRL校准方法，但相比之下，TRL校准技术更适合于非同轴的测试环境。TRL［6］即Through(直通件)，Reflect(反射件)，Line(延迟线标准件)，该校准技术是通过已知特性的标准校准件来完成对夹具效应的移除。通过非线性矢量网络分析仪对测试系统的校准将测试端面校准到测试夹具两端，再通过TRL校准件的校准将夹具的效应去除掉，进而将测试端面移到被测器件的两端，从而可以得到被测器件的“净”参数。该方法采用的是8项误差模型，相对于传统同轴式测量的12项误差有所简化［7］。相同的制作材料有利于准确的完成测试夹具的去嵌入，图4给出了采用黄铜镀金材料研制的测试夹具校准件。

图4 TRL校准件

1.5 自激或振荡

自激或振荡在晶体管测试当中会产生非常不利的影响，因为轻微的振荡会使晶体管不能稳定工作，而严重的振荡会使管子过热或击穿，导致晶体管的永久性失效［2］。引起自激振荡的原因有很多，但在常规测试当中应该注意以下几点，以避免产生自激或振荡。

1)避免晶体管过热。长时间加电会使管子长时间工作在过热状态，为了避免发生自激现象，应该做好管子的散热工作，通过良好的散热设计或加散热片来消除过热效应，以避免管子自激或振荡。

2)避免电源馈电网络的相互影响而产生振荡。由于晶体管的栅极和漏极都要加电源馈电，那么两者之间很容易产生串扰，另外直流电源还会引入一些低频噪声，这些影响都会使晶体管产生振荡，通常可以通过自己设计的直流偏置电路或外加Bias Tee的方式来避免晶体管产生自激或振荡。

2 测试平台的搭建

通过上述理论研究与分析，本文采用负载牵引技术及TRL校准技术来完成固态功率器件的测试，测试框图如图5所示。

图5 测试系统框图

选取已知器件特性的某款SiC功率晶体管在上图所示的测试平台中进行测试验证，所选器件频率为3.1～3.4 GHz，功率70 W，偏置条件为:VDS=50 V，VGS=-12 V，在不同频率下完成前述校准及验证工作，频率在3.2 GHz时，负载牵引后，源端阻抗为:Zsource=(7.00-j8.00)Ω，负载端阻抗为:Zload=(1.23-j4.91)Ω，史密斯圆图如图6所示，并测得输出功率、功率增益、效率等数据如表1所示。

图6 3.2 GHz阻抗匹配

表1 测试数据

测试所得数据满足被测器件Datasheet中所给器件各项参数性能指标，可见本测试平台可以很好的进行阻抗匹配的调节，并有效的去除夹具引入的误差，进而得到被测器件的“净”参数。