使用源测量单元分析大功率IV特性

1. 脉冲测试的优势

在脉冲模式下进行测试有两个主要优势：

更宽的功率边界——使用单个SMU在高瞬时功率下进行测试

输出高功率脉冲适用于某些设备的IV特性分析，例如高亮度LED、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和MOSFET；而输入高功率脉冲则适用于SMU作为功率管理IC等设备的负载的情况。 具有更宽脉冲边界的SMU可让您进行高功率测试，而且无需为了获得更高功率而使用多个SMU。

最小化DUT的自热效应——只需有限的散热设施或在没有散热设施的情况下测试高功率元件

一般来说，SMU所提供的功率会由于转化成待测设备(DUT)的热能而发生损耗。 这样一来不但会提高温度，还会改变DUT的电子属性和物理属性。 在特定的温度下，DUT的属性会大幅变化，使得获得的IV数据非常不准确，或者损坏DUT。 使用脉冲供电替代恒定直流电源可减少DUT的平均功率损耗，并最小化DUT的自热效应。 实际上，测试工程师发现使用脉冲测试非常有必要，因为这样他们不必使用精密的热管理系统也可以测试高功率设备。

2. 脉冲输出架构

具有宽脉冲范围的SMU通常会采用一种特殊的输出架构，使功率暂时超出额定的DC范围。 举例来说，NI PXIe-4139精确系统SMU可产生高达500 W的脉冲，远超过20 W DC的限制。

NI PXIe-4139具有足够大的内部电容，可支持SMU的内部电源(Vpwr)暂时超过20 W的最大DC输出限制，从而能够输出很短的大功率脉冲，而不必受限于输出范围的限制。

由于NI PXIe-4139等SMU暂时输出的功率高于通过电源所提供的功率，因此其受限于输出高功率的速度与持续时间。 一般来说，SMU的几个主要脉冲参数会存在一定的限制范围，这样才能够确保SMU可稳定输出所需的功率，而且不会因为吸入太多功率而出现过热。 当SMU在扩展的脉冲边界范围运行时，必须注意一些脉冲参数，例如占空比、最大功率、最大/最小脉冲持续时间、最小脉冲周期。

3. 脉冲测试与DC测试比较

大多数采用SMU的半导体测试应用都会涉及某种形式的输出与测量操作。 基本的DC扫描会逐步增大输出直到序列完成，下图所示的是一个五步递增的电流值序列。

脉冲扫描和DC扫描的相似之处在于我们需要输出一个设定值，等待这个值稳定下来之后再进行测量。 脉冲测试的主要差异在于电源会在短暂的脉冲时间结束后回归偏置电平。 在大多数情况下，偏置电平的设置是为了关闭DUT(例如0V或0A)。

在理想的情况下，上面两个图中的脉冲序列和DC序列都会返回相同的IV数据。 然而，如前所述，DC序列会导致DUT散发更多热能，功率损耗更大，导致电路行为异常或测试结果不如人意。 因此脉冲测试更适合这类应用。  

以脉冲模式进行测试时，脉宽必须够长才能让设备达到完全接通状态和进行稳定的测量，但同时脉宽也必须足够短才能尽可能减小DUT的自热。 脉冲测试时，快速清晰的SMU响应十分重要，因为SMU的初始电平一般是脉冲偏置电平，而不是在输出电平的基础上小幅逐步增加。

根据待测设备的阻抗和所需的脉冲特性，SMU的瞬态响应可能过快或过慢。 当响应过快时，输出电平会发生过冲或者不稳定，可能会对待测设备造成损害。 如果响应过慢，SMU在脉冲持续期间将无法达到所需的输出值。 在这两种极端情况下，SMU都无法快速稳定下来进行测量，脉冲宽度必须延长。 这样一来就影响了整个测试序列，增加待测设备的散热。

生成非常狭窄的脉冲时，一定要避免上述两种情况，因为这会导致IV数据很不理想。 为了确保SMU能生成清晰的脉冲，比下图所示的脉冲， 我们需要使用具有足够高采样率的仪器来捕捉详细的SMU瞬态响应特性。 以前，观察瞬态响应使用的是外部示波器；但现在一些SMU内部配置了数字化仪。  

将脉冲数字化的另一个好处是我们能够可视化所需的延迟和测量窗口（空隙时间）。 SMU通常在源延迟之后立即开始测量，因此优化源延迟对于脉冲测试非常重要。 如果源延迟过短，SMU就会开始测试，而同时输出仍然在升高，这样就会导致数据不准确。 如果源延迟过长，测量窗口缩小，测量精度就会降低。

4. 应用实例： 高功率LED的脉冲测试

为了展示SMU的脉冲性能，我们将使用NI PXIe-4139对CREE高功率LED进行特性分析。 由于这款LED的IV要求(37 Vf、2.5 Imax)，我们必须在扩展的脉冲边界范围内运行SMU，这样才能够生成远超过20 W DC 限制的500 W脉冲。

针对这款LED的IV特性分析，我们将对LED进行0到2.5 A的电流扫描。如果使用传统的DC序列来测试LED特性，就会面临两个挑战。 第一，为了满足IV扫描所需的电流和电压， 我们可能需要同时使用多个SMU。 这些额外的SMU不仅使得整个装置在线路连接和编程方面变得复杂，还增加了测试系统的规模和成本。 其次，我们为这个小型的LED提供了高达100W的电量。 如果没有按下图所示的那样安装散热装置，则直流供电时间过长可能会损坏LED。 使用脉冲模式的SMU就可以避免这两个难题，因为我们只需使用一个仪器既可以对LED进行完整的IV扫描，而不需要借助外部散热装置。

为了尽可能提高测试速度，同时降低通过LED的热能耗散，我们将使用仪器的最小脉宽，也就是50 µs。 生成可用的50 µs脉冲其实很困难，为了确保能够从SMU获得清晰、稳定的脉冲，我们必须利用NI PXIe-4139特有的两个功能。第一，我们将此仪器当作示波器使用，深入分析脉冲的瞬时特性。 其次，我们会使用NI SourceAdapt技术来自定义此脉冲，获得快速上升时间，同时避免过冲或震荡。

脉冲生成和数字化

生成高功率狭窄脉冲时，务必确保SMU响应快速且稳定。 这里所使用的SMU是NI PXIe-4139，该仪器具有内置数字化仪模式，采样率高达1.8 MS/s，所以我们可使用这个SMU的测量功能对输出进行数字化。 如果没有这个功能，就需要外接可同时测量电流和高电压的示波器。

将SMU脉冲数字化有助于深入分析脉冲特性，并且验证序列的每一步上SMU都能够进行准确的测量。 在本例中，我们会发现SMU不会在50 µs的时间窗内稳定下来，因此无法通过这些设置获得准确的IV数据。 这时我们必须延长脉冲的持续时间，或是调整SMU的响应。

使用NI SourceAdapt进行脉冲整形

NI PXIe-4139搭载了NI SourceAdapt技术，可帮助用户自定义SMU的瞬时响应。 在本例中，我们需要使用此功能来优化脉冲的上升时间，同时维持稳定响应，避免过冲。

上图为SourceAdapt设置经过调整后的脉冲特性。 了解上述的脉冲特性之后，我们就可以确定SMU所需的稳定和空隙时间，确保最终的IV扫描返回的是准确的数据。 下图显示的是0到2.5 A的SMU扫描以及序列每个点的电压和电流测量。

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5. 其他资源

脉冲是SMU相当实用的功能之一，可帮助您测试高功率设备，而不必使用多个SMU和散热装置，避免测试装置变得复杂。 基于上述优势，许多测试工程师对脉冲测试的青睐远胜过传统DC序列。 使用高功率脉冲进行测试时，SMU响应、脉冲规格、分析脉冲特性的能力都是采集高品质IV数据不可或缺的要素。