使用脉冲I-V测试技术表征射频器件(二)

本文上一部分介绍了脉冲式I-V测试在测试技术和仪器功能方面具有的特定要求，下面继续讨论测试系统的其它问题和应对方法。

图5给出了脉冲I-V q点测试的简化框图，它包含了在直流测试时独立偏置栅极和漏极的SMU。同样的，独立式脉冲发生器向DUT提供VG和VD脉冲激励。SMU和脉冲发生器之间通过板载开关连接或断开信号路径。这个框图中的开关正处于待机状态(开关打开着)，测试设备与DUT是断开连接的。在脉冲式I-V测试期间，SMU没有被连接到被测器件上。一般用于漏极的脉冲发生器能比用于栅极的脉冲发生器提供更高的功率。虽然在图中显示为独立的模块，但在实际测试系统中两个示波器通道是由单个单元提供的，允许独立测量DUT栅极信号和漏极响应。

在该系统中，栅极脉冲源具有50Ω的输出阻抗，而漏极脉冲发生器具有55Ω的阻抗。后者是由于增加了5Ω的敏感电阻(用蓝色圈出来)用于获得漏极电流和电压。测量敏感电阻上电压以捕获电流的技术使用了一个简单的分流电路，该电路具有很高的带宽，而且实现越来非常简便。5Ω电阻上的电压V_sense在示波器模块的第2通道上测量。

上述分流方法确实在某些方面做了一些牺牲，主要是漏极电压的降低。这通常被称为负载线效应，是使用敏感电阻测量漏电流的直接后果。漏极电流流过时，电阻R_sense上会有一个压降。压降意味着电压V}不等于漏极引脚上的电压V_D'。如果不考虑这个压降，那么系列曲线就限于Rsense的负载线，如图6的右图所示。

幸运的，负载线补偿(LLC)算法可以纠正这一效应。除了提供理想的测试电压范围外，LLC算法还能在扫描期间提供均匀间距或步距的电压。这样可以取得完成的V_D-I_D器件表征。这还意味着用于确定V_D值“在网格上”的被测数据后处理工作可以被取消，从而减少从测量系统取得测试结果到建模软件所需的时间。

在所有脉冲式I-V测量系统中都应认真考虑电缆和互连因素，因为电缆会引入传播延时并降低测量精度。为了用脉冲式I-V测试系统取得高的测量精度，电缆和互连阻抗必须加以确定和校准。这就需要用一个电缆补偿例程来测量和校正这些属性。例如在Keithley 4200-SCS PIV系统中就有一个在初始化设置以及任何电缆或其它互连改变后使用的简短程序。因为例程中包含了一个彻底或简短的测试，因此即使引脚到焊盘阻抗也集成进了补偿过程。

测试射频晶体管遇到的另一个问题是振荡电位。这些问题是由于器件的高截止频率(远大于1GHz)以及内部(器件)和外部(仪器)反馈路径产生的内在不稳定性引起的。这些状况会由于测试环境不能完全匹配产品环境而恶化。通常测试要求参数范围比产品应用中的更宽。

对于一个有经验的脉冲式I-V用户来说，一般通过观察脉冲式I-V图的特征形状就能直接识别振荡，甚至检测出振荡的开始。但对于新的结构和器件，或者缺乏丰富经验的用户而言，一种更直接的振荡检测方法可能更有用。在这些情况下，观察示波器显示屏上的实际脉冲非常管用。这样可以实现振荡的可视化确认，并证明特殊补偿是否对此作了抑制。

一般来说，振荡可以通过增加电容或电感以减小环路增益加以控制。但增加的电抗会影响系统带宽，并降低脉冲式I-V测试性能。更简单的方法是增加电阻，这种方法对系统带宽的影响较小。

当在DUT的反馈路径中增加电阻(这种电阻也被称为镇流电阻)时，增加的电阻必须不妨碍脉冲式I-V测量。测试仪器也必须能对增加的镇流电阻作出正确处理，并提供校正后的结果。

在对射频晶体管进行脉冲测试时，栅极适合用串联电阻，源极和漏极之间适合使用并联电阻(图7)。在后一种情况下，可以采用接地分流电阻来降低环路增益，同时抵消I-V曲线上的负斜率效应(即负差分传导)。可以在其中一个位置或两个位置同时增加镇流电阻，该镇流电阻可以减少或消除振荡，但代价是DUT的电压和电流也会下降。例如在图7中，所有流过漏极上分流电阻R_SH的电流DUT漏极都不能提供。确定使用镇流电阻及其阻值是一个定性的反复过程。不过一些商用测试系统可能会提供一套低电抗的电阻，以及在使用镇流电阻时可用于校正测试结果的软件程序。

图8给出了屏幕上捕获的可用于比较脉冲I-V和直流扫描方法的测试结果。曲线的中间和上部清楚地表明了由于直流测试造成的自加热效应。需要注意的是，在最低的功率曲线(底部)中，直流和脉冲式I-V测试结果实质上一致的。然而，上面曲线顶部(脉冲式I-V)的ID要比蓝色直流曲线高出约230mA(50%)。后者具有严重的自加热效应，并已导致I_D特性的破坏。

单脉冲测试可用来表征瞬态行为，并检测振荡。图9给出了典型结果。蓝色曲线是施加于栅极的电压脉冲，红色曲线是形成的漏极电流。这两条曲线都非常完美，没有任何过冲、振铃或振荡现象。在验证设置时，观察脉冲波形是很有用的，可确保电缆连接以及到器件焊盘的接触是否正确。

在检查DUT的瞬态行为时，随时间推移而变化的器件响应可能产生自加热、电荷俘获或其它随时间变化的现象。图10是一种自加热实例，它将造成漏极电流随时间而下降。在图10中，I_D开始约为630mA，但10ms后下降到590mA，降低幅度约6%。

在射频晶体管的栅极和漏极采用非零偏置的双通道脉冲式I-V测试是一种功能强大的测试工具。它能在仿真大信号(非线性)操作的各种条件下实现精确的表征。在合适的测试硬件和软件支持下，有各种单脉冲和多扫描测试例程可供方便地执行(例如图8左边的测试清单)。

通常器件表征是一个反复的过程，因此针对交互式测试设计的测量系统十分必要。这种系统的重要特性应包含针对不同晶体管类型的各种脉冲式I-V参数，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、伪形(pseduomorphic)HEMT(pHEMT)以及横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管。测试系统也应提供包括延时在内的亚毫秒脉冲时序参数，并具有修改测试参数和随时对新旧结果进行比较的能力。针对扩散效应，系统还应支持对直流和脉冲式I-V测试结果的比较，并提供全面的数据分析和简单地将数据导出到其它应用的方式。总之，系统应包含具有q点测试和电缆补偿功能的互连和测量软件、LLC软件例程以及用于控制振荡的镇流电阻，并提供在使用镇流电阻时能校正测试结果的灵活测量软件。