用吉時(shí)利源表實(shí)現(xiàn)二極管特性曲線測(cè)試

薛克瑞，顧漢玉

（1．深圳市良機(jī)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東深圳，518000；2.華潤賽美科微電子（深圳）有限公司,廣東深圳，518000）

用吉時(shí)利源表實(shí)現(xiàn)二極管特性曲線測(cè)試

薛克瑞1，顧漢玉2

（1．深圳市良機(jī)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東深圳，518000；2.華潤賽美科微電子（深圳）有限公司,廣東深圳，518000）

二極管的伏安特性曲線直觀地反應(yīng)了器件的性能，傳統(tǒng)上采用陰極射線管（CRT）的晶體管圖形儀進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備體積大、能耗大，測(cè)試精度低，人工讀數(shù)的方式還會(huì)帶來無法避免的主觀差異。隨著測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以采用數(shù)字源表加控制軟件的方法實(shí)現(xiàn)二極管特性曲線的測(cè)試。本文介紹了具體的實(shí)現(xiàn)方法。

晶體管；二極管；伏安特性；晶體管圖示儀；ATE；PMU；數(shù)字源表

1 二極管特性曲線及測(cè)試

二極管的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，實(shí)際二極管由于引線的接觸電阻、P區(qū)和N區(qū)體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結(jié)的伏安特性略有差異，圖1是典型二極管的伏安特性曲線[1]，曲線分正向特性和反向特性兩部分，曲線直觀地反映出二極管的性能。

圖1 二極管伏安特性曲線

為了測(cè)試和分析晶體管的特性，人們開發(fā)了晶體管特性測(cè)試儀，該儀器可以測(cè)試二極管、三極管及場(chǎng)效應(yīng)管等分立器件。圖2是其內(nèi)部原理圖，描述了共發(fā)射極晶體管電流放大倍數(shù)（HFE）的測(cè)試方法：在基極上施加階梯電流，同時(shí)在CE間施加鋸齒波電壓，實(shí)現(xiàn)周期性掃描，在陰極射線管（CRT）上顯示出圖3中的晶體管共射輸出特性曲線[2]。將二極管接在CE之間，基極不加階梯波，直接加電壓，即可得到圖1中的二極管特性曲線。

圖示儀具有直觀、全面的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工程分析非常有效。但由于使用CRT（類似老式的電腦顯示屏），體積大，耗電多，同時(shí)精度不高，加上讀數(shù)是人工的，不僅效率低，還會(huì)帶來主觀誤差，已經(jīng)不能滿足需求，有被逐步淘汰的趨勢(shì)。

圖2 晶體管特性測(cè)試儀原理框圖

圖3 晶體管共射輸出特性曲線

2 數(shù)字源表

數(shù)字源表是一種特殊的電源，源自自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE：Automatic Test Equipment）中的精密測(cè)試單元（PMU：Precision Measurement Unit）），也叫V/I源，V/I源既可以輸出電壓或電流，也可以輸入電壓或電流，即可以四象限工作。也就是說V/I源可以工作在正、負(fù)電壓，正、負(fù)電流任意一個(gè)象限中，分別為正電壓電流拉出（象限I），正電壓電流灌入（象限II），負(fù)電壓電流灌入（象限III）和負(fù)電壓電流拉出（象限IV）[3]，參考圖4。

圖4 四象限工作示意圖

圖5 四線開爾文測(cè)試示意圖

在V/I源中，通常都采用四線開爾文測(cè)試的方法來消除附加的電阻和壓降，進(jìn)而保證負(fù)載兩端電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)試精度。V/I源的輸出端分為FORCE和SENSE兩種線，F(xiàn)ORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會(huì)流過負(fù)載電流IL，SENSE線用于電壓的反饋和測(cè)試，SENSE線的輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會(huì)有電流流過，即便有附加電阻也不會(huì)產(chǎn)生附加電壓降。FORCE線中的附加的電阻雖然會(huì)在大電流下產(chǎn)生附加電壓降，但由于SENSE線獨(dú)立接到負(fù)載兩端，可以有效地扣除掉FORCE線中附加電阻和壓降的作用，從而保證負(fù)載兩端電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)試精度。參考圖5。

ATE是一種由高性能計(jì)算機(jī)控制的測(cè)試儀器集合體，是由測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)組合而成的測(cè)試系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過運(yùn)行測(cè)試程序的指令來控制測(cè)試硬件，有各種參數(shù)測(cè)試必須的資源，包括PMU、DPS（Device Power Supplies，器件供電單元）、高速的存儲(chǔ)器（Pattern Memory）、向量生成器、繼電器矩陣等；通過編寫系統(tǒng)測(cè)試程序控制ATE的資源，將電壓、電流等信號(hào)加到待測(cè)器件上[4]。通常標(biāo)準(zhǔn)ATE的資源是固定的，用戶只要直接使用就可以了，ATE適用于集成電路的測(cè)試，由于資源很多，設(shè)備造價(jià)很高，而且屬于專用設(shè)備，很難根據(jù)實(shí)際需要配置硬件。

圖6 二極管特性曲線測(cè)試系統(tǒng)

圖7 源表基本配置圖

圖8 源表掃描方式配置圖

圖9 源表數(shù)據(jù)讀取圖

在一些較為簡單的測(cè)試中，我們希望根據(jù)實(shí)際的需求搭建類似于ATE的系統(tǒng)；吉時(shí)利公司開發(fā)了一系列的源表，滿足了這個(gè)需求。以吉時(shí)利（Keithley）2612B數(shù)字源表為例，該表是款雙通道系統(tǒng)數(shù)字源表，每通道能提供精確的電流或電壓的激勵(lì)源，能提供相應(yīng)電參數(shù)精確測(cè)試的解決方案，輸出與測(cè)試均有多個(gè)檔位可供選擇。該源表集成了高精密電源、6位半數(shù)字多用表（DMM）等功能，具有RS232，GPIB與LAN等多種通信接口，很容易實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)連接，組成測(cè)試系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)試產(chǎn)品的各項(xiàng)電特性。

3 測(cè)試方案（硬件&軟件）

二極管特性曲線測(cè)試系統(tǒng)硬件連接如圖6所示。系統(tǒng)硬件主要由PC機(jī)，USB-GPIB通信線，吉時(shí)利源表和DUT接口電路組成。圖中采用了開爾文連接法（四線連接），可以去除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

軟件采用美國NI公司的Labview編寫。二極管的V-I關(guān)系曲線是由許多連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的，軟件通過配置源表，采用掃描的方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。軟件主要由以下三部分組成：

源表基本配置：包括存儲(chǔ)空間的命名與定義，測(cè)試積分常數(shù)的設(shè)定，測(cè)試兩線制和四線制選擇，測(cè)試延時(shí)時(shí)間設(shè)定，測(cè)試濾波方式，參考圖7所示。

源表掃描方式的配置：包括輸出檔位，掃描范圍，掃描點(diǎn)數(shù)，事件相應(yīng)類型，掃描脈寬的分配方式，參考圖7。

源表儀表數(shù)據(jù)讀取：包括數(shù)據(jù)輸出類型的設(shè)定，源表儀表數(shù)據(jù)輸出類型的轉(zhuǎn)換，參考圖8。

圖10 LED紅外發(fā)光二極管特性曲線（正向）測(cè)試

4 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論

基于上述方法，我們測(cè)試了紅外發(fā)光LED的正向特性曲線，圖10是實(shí)際的測(cè)試結(jié)果。

圖11 晶體管共射極電流放大倍數(shù)測(cè)試示意圖

由圖10可見，方案達(dá)到了預(yù)定的效果。改變掃描電壓極性，可以實(shí)現(xiàn)反向特性的測(cè)試。本方案具有精度好、自動(dòng)化程度高、記錄方便的優(yōu)點(diǎn)，軟件記錄的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行詳細(xì)的分析。采用類似的方法，利用2612B源表的兩路V/I 源，分別加在晶體管的集電極和基極上（參考圖11），可以實(shí)現(xiàn)晶體管特性曲線的采集和記錄。

[1]孫肖子,張企民.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2006年12月第9次印刷.

[2]顧漢玉. 一種快速測(cè)試晶體管共射極直流放大倍數(shù)（HFE）的方法[J].電子測(cè)試2016年5月（總344期）.

[3] AccoTest Business Unit of Beijing Huafeng Test & Control Technology Co.,Ltd[Z]. STS8200應(yīng)用文集.

[4]顧漢玉. 晶圓測(cè)試中BIN分設(shè)置的一種巧妙應(yīng)用[J].電子測(cè)試2012年8月（總255期）.

[5]（美）庫姆斯 主編.電子儀器手冊(cè)[M].科學(xué)出版社，2006年出版.

[6]侯國屏等.Labview7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2006年10月第4次印刷.

The V-I charcateristics of a diode testing with keithley SourceMeter

Xue Kerui1,Gu Hanyu2
(1．Shenzhen liangji automatic equipment Co.,Ltd,Shenzhen Guangdong,518000;2. China Resources Semicon Microelectronics(Shen Zhen)Co.,Ltd,Shenzhen Guangdong,518000)

The V-I characteristicsis very important for a diode and normally is recorded by curve tracer(displayed by CRT),the instrument gets low accuracy with big volume and high energy consumption,even more different operator may read different result. with the developing of testing technology and computercontroltechnology,we can realize the characteristics testing by using NI Labview with keithley SourceMeter.

transistor;diode;V-I characteristics;curve tracer;ATE;PMU;SourceMeter

薛克瑞，男，1977年生，碩士，中級(jí)工程師，長期從事半導(dǎo)體封裝設(shè)備和LED發(fā)光器件產(chǎn)品的開發(fā)。