使用脉冲I-V测试技术表征射频器件（一）

脉冲式电流-电压(I-V)测试正在成为评估半导体器件性能和可靠性的极佳方法。这种测量方法具有较高的性价比，并可避免自加热和瞬时俘获电荷等可能导致错误测试结果的负面效应，还可以为改进的计算机辅助工程(CAE)软件模型提供精确的器件数据。

脉冲式I-V测试方法需要用一个脉冲源去激励晶体管或被测器件(DUT)，然后对器件进行脉冲测量。由于射频晶体管主要用于非线性响应很常见的应用，如开关和放大器，因此大信号分析通常是脉冲式I-V测试的目标。共有两种主要的测试方法，即脉冲式I-V扫描和瞬态(单脉冲)测试(图1)。通过使用双通道脉冲源/测量系统，这种测试可以非常简单，并且极具性价比。

脉冲式I-V测量扫描方法产生的结果与大家熟悉的直流测试非常相似，如显示在不同偏置条件下漏极电压VD和漏极电流ID的行为曲线。这意味着供给栅极和漏极电压的脉冲底部是非零值，即所谓的工作点或静态(q)点。这种测试技术会对DUT施加低占空比的脉冲(占空比通常小于1%)，以避免自加热和载流子俘获效应。如图1中的左手边所示的那样，曲线上的每个点都是在脉冲稳定或平坦期间对DUT进行脉冲测量的结果。在实际操作中，会对许多脉冲测量结果进行平均以提高总的测量结果质量。

第二种脉冲式I-V测试是瞬态或单脉冲测试(见图1的右手边)。在这种情况下，测试结果将呈现为一种测量脉冲视图或多个脉冲的平均。被测信号被绘制为相对于时间的DUT电压或电流曲线，表明了任何随时间推移而发生的变化，比如自加热或电荷俘获的开始。

宽范围的脉冲宽度对于脉冲式I-V测试来说是很有用的，具体取决于DUT或材料类型和测试参数。针对毫秒级的脉冲宽度，可以使用标准的源测量单元(SMU)。不过更短的脉冲(毫秒至纳秒数量级)对避免自加热和电荷俘获效应来说一般更加有效。因此，射频晶体管的短脉冲脉冲式I-V测试一般可以用来创建更有用的模型。

用于描述射频晶体管特征的一种非常管用的二分法是区别小信号和大信号测试之间的差异。小信号(S参数)数据对精确表述线性器件非常有用，比如电缆、滤波器、连接器和耦合器等，也就是符合麦克斯韦尔方程的器件，这些器件可以产生随时间和频率的线性响应。这意味着S参数提取要求线性响应反馈建模过程。相反，射频晶体管主要用于非线性响应很常见的应用，因此大信号分析对于评估处于实际状态的器件最有用。

执行大信号分析有许多种方法，包括使用大信号矢量网络分析仪、非50Ω测量以及脉冲式I-V测试。大信号网络分析可以将非常适合小信号测量的方法和仪器拓展到较少历史和文档的大信号领域。大多数人认为这种方法的理论基础仍处于发展过程中，目前的用户群相对比较小。另外，使用硬件创建和控制所需的大信号仍面临艰巨的挑战。

有两种常见的方法可用于测试非50Ω环境中的射频晶体管。一种是负载拉动方法，这种方法使用人工或可编程的阻抗调整器改变晶体管(或其它有源器件)输出端的阻抗，然后测量各种性能参数，如增益、压缩、饱和功率、效率以及在这些不断变化的阻抗条件下的线性度。输出负载在斯密斯图的多个区域中变化，以取得对器件行为的全面理解。第二种方法是源拉动方法，这种方法将改变从晶体管输入端看进去的阻抗，同时测量包括信噪比(SNR)在内的各种目标参数。

脉冲式I-V测试也允许使用大信号，从理论基础上讲相当直接。脉冲测试的主要优点是能够充分利用来自直流建模和分析的扩展知识库。另外，它也能避免DUT中的自加热和电荷俘获效应。一般来说这三种不同的大信号分析方法之间不存在竞争关系，而且经常会使用多种方法来表征DUT的大信号行为。

脉冲式I-V测试在测试技术和仪器功能方面具有一些特定的要求，包括：

从非零底部或非零值(即偏置点/静态点/直流偏移)产出脉冲；

同时对栅极和漏极施加偏置电压脉冲；

采用小型化测试结构或器件，并且功率要比大功率射频晶体管的典型工作点低；

使用电流敏感电阻和软件例程进行负载线补偿；

应用软件例程进行电缆和其它互连的补偿；

采用合适的工具解决系统和器件的振荡问题。

幸运的是，已有商用化仪器可提供高效脉冲式I-V器件测试所需的所有性能。

图2显示了基于脉冲式I-V扫描的非零偏置点(右手边的红线)，也就是所谓的静态点或q点。用于器件栅极和漏极的非零值将形成图2左手边以红色“X”标示的VD-ID图中的一个点。作为非零底部的脉冲波形在图2的两边以红色特征表示。

在I-V扫描期间脉冲高度会变化，如图2的右部所示。测量在脉冲中间进行，详见右图上的黑色箭头所示。图2的左手边还显示了测量过程，其中黑色箭头指向测量，并且远离q点。这表示器件在每两次测量期间会返回到q点状态。

图3描述了一个耗尽模式晶体管测试中的脉冲式I-V扫描。耗尽模式晶体管正常在栅极偏置为0V时导通，在栅极施加负电压时关断。耗尽模式晶体管的脉冲式I-V测试要求负的VG偏置点以便部分或完全导通DUT。在图3中，通过使用小电压V_G和V_D使器件部分导通。V_G扫描从负电压开始，并扫描到稍高于0V。电压V_D从0V扫描到27V。本例还显示了用于栅极的负偏置点(q点)和用于漏极的正q点。包含偏置点(直流偏移)在内的脉冲波形由脉冲仪器提供。

脉冲式I-V测试要求仪器具有双通道能力以实现全面的q点测试，如测试耗尽模式晶体管所显示的那样。虽然可以在给晶体管漏极提供直流偏置、只给栅极提供脉冲的条件下执行脉冲式I-V测试，但这样做可能无法覆盖所有感兴趣的DUT测试条件。虽然漏极的直流偏置提供了简单的测试方法，但在进行VD-ID测试时不允许将q点值同时用于栅极和漏极，因为漏极信号经常在扫描状态，不在VD偏置点。为了支持完整的偏置点操作，栅极和漏极必须被同时施加脉冲。

许多射频晶体管用于功率放大，并且可以处理高达200W的功率电平。能够达到这种功率电平的脉冲源非常昂贵。因此为了控制成本和简化测试要求，DUT通常是用于表征的晶体管的缩小版本(图4)，虽然即使是一个较小的器件在进行脉冲式I-V测试时也需要约30W的脉冲功率。