碳化硅功率二極管輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：為探究碳化硅功率器件抗輻照損傷能力和輻射效應(yīng)機(jī)制，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，利用Keithley公司的2410高壓源表、USB-GPIB接口適配器等設(shè)備，針對(duì)兩款商用碳化硅功率二極管，建立了一套輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)在集成了Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真實(shí)時(shí)控制和信息同步顯示的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了電壓和電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、圖像化的I-V和Ｉ-t特性曲線顯示及存儲(chǔ)等功能。開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)在碳化硅功率二極管的重離子和質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)中成功應(yīng)用，為今后深入開展輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：碳化硅功率二極管輻射效應(yīng)單粒子燒毀測(cè)試系統(tǒng)LabVIEW

中圖分類號(hào)：TN313.4

DevelopmentofRadiationEffectTestingSystemforSiliconCarbidePowerDiode

LIUJiancheng1，2GUOGang1，2*HANJinhua1，2LIUCuicui1，2

1.ChinaInstituteofAtomicEnergy;2.NationalInnovationCenterofRadiationApplication，Beijing，102413China

Abstract：Thispaperistoexploretheradiationresistanceandtheradiationeffectmechanismofsiliconcarbidepowerdevices.BasedonLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform，aradiationeffecttestsystemfortwocommercialsiliconcarbidepowerdiodeswasestablishedbyusing2410highvoltagesourcemeterandUSB-GPIBinterfaceadapterofKeithleycompany.OnthebasisofintegratingKeithley2410high-voltagesourcemeterfunctionpanelsimulationandreal-timecontrolandinformationsynchronizationdisplay，thesystemalsorealizesthereal-timeacquisitionofvoltageandcurrentdata，thedisplayandstorageofgraphicalI-VandI-tcharacteristiccurves，andotherfunctions.Thedevelopedtestingsystemhasbeensuccessfullyappliedintheheavyionandprotonradiationexperimentsofsiliconcarbidepowerdiodes，providingtechnicalsupportforfurtherresearchonradiationeffectexperimentsinthefuture.

KeyWords：Siliconcarbidepowerdiode;Radiationeffects;Singleeventburnout;Testingsystem;LabVIEW

近年來，隨著我國(guó)航天事業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)高性能電子器件的需求越來越高。碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐輻照等優(yōu)勢(shì)，SiC器件已被納入航天發(fā)展戰(zhàn)略部署[1-2]。然而，空間中的質(zhì)子、重離子等高能輻射粒子會(huì)導(dǎo)致SiC器件發(fā)生位移損傷效應(yīng)和單粒子效應(yīng)（SingleEventEffect，SEE）等輻射效應(yīng)，最終造成器件的性能退化甚至永久失效[3-4]，影響航天任務(wù)的達(dá)成。SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基（JunctionBarrierSchottky，JBS）功率二極管具有大電流、高反向偏壓、開關(guān)速度快、抗浪涌電流強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合航天電源系統(tǒng)的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)SiCJBS功率二極管的輻射效應(yīng)研究表明其存在單粒子燒毀（SingleEventBurnout，SEB）等現(xiàn)象。目前，SiCJBS的輻射效應(yīng)機(jī)理仍是當(dāng)今國(guó)際輻射效應(yīng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5-6]。本文針對(duì)兩款商用SiCJBS功率二極管開發(fā)了輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，為今后開展其輻射效應(yīng)機(jī)理研究打下良好基礎(chǔ)。

１測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由裝有LabVIEW軟件的PC計(jì)算機(jī)、Keithley2410高壓源表、SiCJBS功率二極管測(cè)試板、USB-GPIB接口適配器等部分構(gòu)成。

測(cè)試系統(tǒng)工作過程如下：將PC計(jì)算機(jī)與Keithley2410高壓源表通過USB-GPIB接口適配器物理連接成功后，打開源表電源開關(guān)，當(dāng)PC計(jì)算機(jī)程序與源表的GPIB地址參數(shù)設(shè)置一致時(shí)，可通過發(fā)送SCPI程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令至源表，實(shí)現(xiàn)源表功能面板的模擬仿真及器件電壓-電流值同步測(cè)量等功能。本測(cè)試系統(tǒng)就是通過USB-GPIB接口適配器將源表所測(cè)的器件電壓-電流值傳輸?shù)絇C計(jì)算機(jī)，并通過LabVIEW軟件分析數(shù)據(jù)并作圖，從而獲得器件的I-V、I-t特性曲線圖。

所設(shè)計(jì)的SiCJBS功率二極管輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)具備功能如下。

（1）在掃描電壓模式下，可監(jiān)測(cè)器件的漏電流隨電壓的變化即I-V特性曲線（包括正向和反向I-V特性測(cè)試）。

（2）在設(shè)定不同偏置電壓下，可監(jiān)測(cè)器件的漏電流隨時(shí)間的變化即I-t特性曲線，并具有檢測(cè)SEB的功能。

2系統(tǒng)硬件介紹

2.1 測(cè)試器件

系統(tǒng)測(cè)試的兩款SiCJBS功率二極管為國(guó)外Infineon公司、國(guó)內(nèi)泰科天潤(rùn)公司的產(chǎn)品，編號(hào)分別為1#和2#，兩個(gè)器件均采用雙芯TO-247-3規(guī)格共陰極封裝，額定電壓均為1200V、額定電流均為40A。為保證輻照重離子能夠進(jìn)入器件有源區(qū)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前對(duì)全部器件進(jìn)行了開封處理，如圖2所示。所有開封后的器件均需使用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其正、反向I-V特性，確保器件性能正常。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用測(cè)試系統(tǒng)在器件輻照過程中進(jìn)行不同偏置電壓的控制以及漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)，以此測(cè)試器件的SEB現(xiàn)象。

2.2測(cè)試源表

Keithley2410是一款1100V/1A的高壓源表，具有線性掃描、對(duì)數(shù)掃描和自定義掃描等功能，可同時(shí)對(duì)器件進(jìn)行電壓與電流的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)SICJBS功率二極管的I-V、I-t特性測(cè)試以及SEB測(cè)試。該源表能夠與LabVIEW軟件兼容，通過遠(yuǎn)程操作SCPI命令編程[7]，用PC計(jì)算機(jī)來控制源表，大大擴(kuò)展了源表的測(cè)試功能，減少了人工干預(yù)，提高了測(cè)試效率。

2.3USB-GPIB接口適配器

本系統(tǒng)中PC計(jì)算機(jī)與Keithley2410高壓源表通過KeithleyKUSB-488B接口適配器實(shí)現(xiàn)物理連接[8]。該接口適配器可以將具有USB接口的PC計(jì)算機(jī)變成一個(gè)功能齊全的GPIB控制器，可使任意一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)與帶有GPIB接口的源表進(jìn)行通信。該接口適配器符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，兼容IEEE-488.2標(biāo)準(zhǔn)且傳輸數(shù)據(jù)的速率高達(dá)1.5MB/s，其適用系統(tǒng)平臺(tái)可以是Windows、Linux等，可很方便地通過LabVIEW編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)Keithley2410高壓源表的自動(dòng)控制。

2.4器件測(cè)試板

器件測(cè)試板原理如圖3所示，采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)Keithley2410高壓源表前、后兩面板輸出自動(dòng)切換，可實(shí)現(xiàn)器件的SEB測(cè)試和正反向I-V、I-t特性測(cè)試。制作好的器件測(cè)試板如圖4所示，主要包括連接Keithley2410高壓源表測(cè)試線纜用的SMA插座、器件安裝用的陶瓷座等，測(cè)試板可同時(shí)安裝6個(gè)器件，以滿足輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的需要。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件使用LabVIEW語(yǔ)言作為SiCJBS功率二極管輻照效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是使用G編程語(yǔ)言創(chuàng)建應(yīng)用程序的編程環(huán)境[9]。與傳統(tǒng)的基于文本的編程語(yǔ)言（如C++或Python）不同，LabVIEW使用數(shù)據(jù)流編程方式，可以通過圖形化的方式來表示和控制程序的執(zhí)行流程。使用LabVIEW編寫軟件，可使軟件功能完備、運(yùn)行高效、操作簡(jiǎn)單而又用戶界面友好。

3.1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SiCJBS功率二極管的I-V測(cè)試和I-t測(cè)試是測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能，其中I-V測(cè)試包括設(shè)置開始、停止掃描電壓值及測(cè)試點(diǎn)數(shù)，顯示I-V測(cè)試曲線并保存I-V數(shù)據(jù)；I-t測(cè)試包括設(shè)置電壓值，SEB電流閾值、顯示I-t測(cè)試曲線并保存I-t數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

程序劃分為兩個(gè)主要的I-V測(cè)試和I-t測(cè)試功能模塊，每個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。編程時(shí)按照模塊化的思想，將各個(gè)功能模塊逐一加以實(shí)現(xiàn)，將有些模塊生成子程序VI，供程序主體調(diào)用。最后，將這些功能模塊整合成完整的測(cè)試系統(tǒng)軟件。

3.2I-V測(cè)試模塊的程序設(shè)計(jì)

如前所述，Keithley2410高壓源表提供了三種掃描類型：線性掃描、對(duì)數(shù)掃描和自定義掃描。若使用2410源表功能面板配置一次I-V測(cè)試掃描功能，需要人工選擇多個(gè)菜單和按鈕，操作繁瑣，易出錯(cuò)；需要查閱2410源表用戶手冊(cè)才能完成。為了解決此問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了I-V測(cè)試程序，可作為子程序VI由主程序調(diào)用。該程序是采用Keithley2410高壓源表已認(rèn)證的LabVIEW即插即用儀器驅(qū)動(dòng)程序[10]，通過LabVIEW對(duì)源表儀器驅(qū)動(dòng)程序中的Keithley2410掃描程序.vi進(jìn)行編程。首先，對(duì)Keithley2410高壓源表進(jìn)行初始化設(shè)置以及清空各個(gè)寄存器，使用初始化.vi完成。然后，設(shè)置測(cè)量電流、V/I模式輸出、掃描開始和結(jié)束電壓、掃描測(cè)試點(diǎn)數(shù)，分別通過設(shè)置測(cè)量模式.vi、設(shè)置輸出V/I模式.vi、設(shè)置輸出掃描.vi來實(shí)現(xiàn)。接下來，通過輸出使能.vi啟動(dòng)源表輸出，通過測(cè)量.vi讓源表執(zhí)行掃描方式測(cè)試任務(wù)，并作圖顯示I-V曲線，再次執(zhí)行輸出使能.vi完成關(guān)閉源表輸出，最后執(zhí)行關(guān)閉.vi結(jié)束全部任務(wù)操作。設(shè)計(jì)的I-V測(cè)試程序框圖如圖6所示，將LabVIEW中的圖形顯示控件的輸入端通過創(chuàng)建XY圖和轉(zhuǎn)換至動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接至測(cè)量.vi的輸出端，則可以在前面板中獲得器件的正、反向I-V特性曲線，如圖7和圖8所示。

3.2I-t測(cè)試模塊的程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的I-t測(cè)試程序，同樣使用Keithley2410高壓源表儀器驅(qū)動(dòng)程序中的READ.vi進(jìn)行編程，完成器件I-t及SEB測(cè)試。利用LabVIEW中創(chuàng)建波形函數(shù)，將函數(shù)輸入端t0、Y分別與READ.vi電流輸出端及獲取日期/時(shí)間函數(shù)輸出端連接，dt設(shè)置為1s，可獲得器件的I-t測(cè)試曲線；在I-t測(cè)試的同時(shí)，將獲取的器件電流值與SEB限定電流值比較，若前者大于等于后者，則會(huì)立即發(fā)出SEB警告信息，并同時(shí)將源表斷電，以保護(hù)被測(cè)試器件。其程序框圖如圖8所示，其中創(chuàng)建波形函數(shù)中的t0為波形的起始時(shí)間、dt為波形中數(shù)據(jù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔、Y為波形的數(shù)據(jù)值。I-t測(cè)試程序編好后，將此程序全部代入系統(tǒng)主程序框圖內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)I-t及SEB測(cè)試的功能。

3.3功能面板模擬仿真程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真程序，使用的是源表用戶手冊(cè)提及的SYSTem命令組中的：SYSTem：Key<NRf>命令，利用LabVIEW提供的界面功能，在外型上完全模擬Keithley2410高壓源表的功能面板，實(shí)現(xiàn)真實(shí)面板上各個(gè)按鍵的功能，并可以實(shí)現(xiàn)源表的實(shí)時(shí)控制和信息的同步顯示。源表功能面板上每一個(gè)功能鍵均對(duì)應(yīng)了一個(gè)數(shù)字（如圖9所示），如執(zhí)行：SYSTem：KEY24相當(dāng)于人工按一次按鍵“ON/OFF”；執(zhí)行SYSTem：Key32相當(dāng)于人工按一次按鍵“FRONT/REAR”，實(shí)現(xiàn)前后面板輸出的切換，完成兩個(gè)器件的切換測(cè)試功能。采用SYSTem：KEY<NRf>方法，顯示將成為最重要的部分，實(shí)驗(yàn)人員必須根據(jù)反饋的提示信息繼續(xù)按鍵，才能最終設(shè)置參數(shù)。源表功能面板有2個(gè)顯示：一是主顯示行，一是次顯示行。前者主要顯示測(cè)量的類型（電壓、電流等）、菜單說明、錯(cuò)誤信息等，后者則是顯示測(cè)量選擇的范圍、菜單選項(xiàng)、其他的信息等。Keithley2410高壓源表提供了不同的編程命令，主顯示和次顯示的命令分別為：DISPlay：WIND1：DATA？和：DISPlay：WIND2：DATA？。在此通過編寫讀信息子程序VI，將源表兩個(gè)顯示行的字符讀入PC計(jì)算機(jī)，最終程序界面如圖10所示。

4.4測(cè)試系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

如前所述，在完成各功能模塊程序設(shè)計(jì)后，就可進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)主程序整合設(shè)計(jì)。本測(cè)試系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)采用了事件“狀態(tài)機(jī)”的模式，有Initialize、WaitforEvent、Buttonexecution、I-VTest、I-tTest、Exit這6個(gè)狀態(tài)分支，分別執(zhí)行系統(tǒng)主界面顯示及狀態(tài)初始化、等待事件、按鈕執(zhí)行、I-V測(cè)試、I-t測(cè)試、退出系統(tǒng)六個(gè)功能，其流程圖如圖11所示。

主程序運(yùn)行后首先進(jìn)入“Initialize”狀態(tài)進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)入“WaitforEvent”狀態(tài)，等待選擇按鈕操作。如點(diǎn)擊Keithley2410高壓源表功能面板中的“ON/OFF”按鍵時(shí)，便進(jìn)入“Buttonexecution”狀態(tài)，完成源表電源輸出操作后，進(jìn)入“WaitforEvent”狀態(tài)，繼續(xù)等待選擇按鈕操作。此時(shí)若選擇I-t測(cè)試并設(shè)置SEB閾值后，點(diǎn)擊“Start”按鈕，便進(jìn)入“I-ttest”狀態(tài)，測(cè)試器件的電流值，實(shí)時(shí)顯示I-t曲線并保存數(shù)據(jù)，同時(shí)與SEB閾值比較。如果發(fā)生SEB，程序會(huì)給出SEB警告信息并自動(dòng)關(guān)閉源表電源輸出，然后進(jìn)入WaitforEvent”狀態(tài)；若未發(fā)生SEB，可自行按“Stop”按鈕結(jié)束I-t測(cè)試狀態(tài)，轉(zhuǎn)入“WaitforEvent”。此時(shí)若選擇I-V測(cè)試并設(shè)置開始、結(jié)束掃描電壓值以及測(cè)試點(diǎn)數(shù)后，點(diǎn)擊“開始”按鈕，進(jìn)入“I-VTest”狀態(tài)，完成I-V掃描測(cè)試后，程序自動(dòng)進(jìn)入“WaitforEvent”狀態(tài)。若點(diǎn)擊“Exit”按鈕，則程序進(jìn)入“Exit”狀態(tài)，退出整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主程序框圖如圖12所示，主程序運(yùn)行界面如圖13所示，最終設(shè)計(jì)完成的SiCJBS功率二極管輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)如圖14所示。LabVIEW圖形化的編程語(yǔ)言環(huán)境大幅簡(jiǎn)化了程序的復(fù)雜程度，提高了程序的執(zhí)行效率。

5實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

在北京HI-13串列加速器上，利用該輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)兩款商用SiCJBS功率二極管開展了重離子和質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)研究[11-12]。以重離子輻照實(shí)驗(yàn)為例，在208MeVGe離子輻照中成功監(jiān)測(cè)到了兩款器件的反向漏電流的I-t特性曲線及SEB現(xiàn)象，如圖15所示。輻照停止觸發(fā)條件是器件發(fā)生SEB現(xiàn)象（將電流超過1×10-5A判定為發(fā)生SEB），或者輻照注量達(dá)到1×107ions/cm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢姡瑖?guó)產(chǎn)器件對(duì)Ge離子的響應(yīng)結(jié)果相似，但在-300V偏壓下未發(fā)生SEB；國(guó)外器件在-300V偏壓下發(fā)生了SEB。兩款器件受到Ge離子輻照前后的I-V特性如圖16所示，受到Ge離子輻照之后的正向I-V特性呈現(xiàn)一定程度改善。

6結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)兩款商用SiCJBS功率二極管開發(fā)了一套輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，在硬件上不僅實(shí)現(xiàn)了專用測(cè)試電路板的設(shè)計(jì)，而且也實(shí)現(xiàn)了利用USB-GPIB接口適配器完成了Keithley2410高壓源表與PC計(jì)算機(jī)之間物理連接的功能，保證了獲取數(shù)據(jù)的高速傳輸；在軟件上，基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言環(huán)境實(shí)現(xiàn)了對(duì)Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真的實(shí)時(shí)控制和信息的同步顯示，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了器件的正反向I-V特性曲線掃描、反向漏電流監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)、I-V和I-t特性曲線作圖等功能。該測(cè)試系統(tǒng)在北京HI-13串列加速器的重離子和質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)中成功進(jìn)行了應(yīng)用，為實(shí)驗(yàn)研究人員對(duì)SiC功率器件機(jī)理研究工作提供了技術(shù)支撐，也為后續(xù)SiC功率器件MOSFET、JFET、IGBT等輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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