固態(tài)功率器件測試技術(shù)研究

王文娟，闞勁松，項道才，王文峰，殷玉喆

(工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究院計量與檢測中心，北京100076)

0 引言

近年來，固態(tài)功率器件的研發(fā)技術(shù)突飛猛進，其制作材料已由以Si為代表的第一代半導體材料和以GaAs為代表的第二代半導體材料發(fā)展到由SiC為代表的第三代寬禁帶半導體材料。并且，目前固態(tài)功率器件被廣泛的應用于軍事、民用、商用的雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、基站、廣播電視等通信系統(tǒng)中，因此，研發(fā)速度之快、應用范圍之廣以及應用領(lǐng)域的重要性使得對固態(tài)功率器件的測試要求不斷提高，測試方法的改進也迫在眉睫。

1 測試方法的研究

1.1 固態(tài)微波功率器件測試中應關(guān)注的幾點問題

在微波頻率內(nèi)直接測量微波部件和器件的S參數(shù)是比較困難的［1］，而如今，固態(tài)微波功率器件不斷的向著大功率、高頻率、高效率、寬頻帶的方向發(fā)展，這就給該類器件的測試帶來更多的難題，因此，對于固態(tài)功率器件來講，測試結(jié)果準確與否，需要總體考慮如下幾點問題:

1)夾具的研制:固態(tài)功率器件由于其封裝形式的特殊性，使得其無法與標準測試設(shè)備相連接，這就需要有一個橋梁來將被測器件和標準測試設(shè)備連接起來，這個橋梁就是測試夾具，因此，測試夾具使固態(tài)功率器件的測試成為可能;

2)阻抗匹配:固態(tài)微波功率器件由于其大功率的特點，使得整個測試系統(tǒng)中阻抗匹配問題顯得更加的重要，阻抗不匹配將使輸入功率大量的反射回源端，而使測試結(jié)果失真甚至得到錯誤的測試結(jié)果，因此，整個測試系統(tǒng)當中阻抗匹配良好是測試準確的前提;

3)誤差:測試夾具的引入解決了固態(tài)功率器件無法與測試標準裝置連接的問題，同時也不可避免的引入了計量測試中非常關(guān)注的因素——誤差，由于夾具的引入使得測試結(jié)果包含了被測器件和夾具兩部分數(shù)據(jù)，這就給被測器件的測試引入了很大的誤差，因此，如何消除夾具引入的誤差就成了得到被測器件“凈”參數(shù)的關(guān)鍵;

4)自激或振蕩:功率晶體管的測試當中，自激或振蕩是影響測試的一個很重要的問題，它不僅使測試結(jié)果不準確，而且很可能造成晶體管的永久性損壞［2］。

1.2 夾具及校準件的研制

測試夾具是被測器件和標準測試設(shè)備間的紐帶，有了測試夾具，才有可能將固態(tài)功率器件的測試進行下去。

通過多方調(diào)研及大量的試驗研究，本文為某SiC晶體管設(shè)計研制了專用測試夾具，該夾具的設(shè)計根據(jù)器件的尺寸及特性，采用黃銅鍍金材料及四分之一波長漸變微帶線的技術(shù)，測試夾具整體上由3部分組成(如圖1所示)，中間是晶體管的放置部分，兩邊是微帶傳輸線及與標準設(shè)備連接的轉(zhuǎn)接部分。

圖1 測試夾具模型示意圖

圖2 專用測試夾具

另外，由于大部分大功率晶體管的輸入輸出阻抗很小，一般只有幾歐姆甚至零點幾歐姆［3，4］，那么，如此低的阻抗，如果直接與50 Ω微帶線相連，將在反射面處形成很大的反射系數(shù)，這給失配問題的解決增加了難度，同時也由于反射系數(shù)的增大，使得測試結(jié)果的精度大幅下降［3］。因此，在測試夾具中要加入預匹配網(wǎng)絡(luò)，使晶體管的阻抗到50 Ω的變化分兩步或多步進行，以減小反射系數(shù)［3］。圖2所示測試夾具，是根據(jù)某款SiC晶體管的尺寸及其特性阻抗，設(shè)計的一款專用測試夾具，該夾具實現(xiàn)了50 Ω到10 Ω的阻抗變換。

1.3 阻抗匹配

阻抗匹配是功率器件測試當中需要非常關(guān)注的問題，要使輸入信號在測試系統(tǒng)中正常傳輸，阻抗匹配是首先要解決的問題。

在固態(tài)微波功率器件的測試當中，常常因為被測件和標準測試設(shè)備的輸入輸出阻抗相差較大，就需要采取措施來調(diào)節(jié)阻抗，使被測器件和標準測試設(shè)備間的輸入輸出阻抗達到良好匹配，這樣，才能保證輸入信號的正常傳輸，進而保證器件的正常工作和測試。

通常阻抗匹配的問題可以通過手動或自動阻抗調(diào)諧器采用負載牽引技術(shù)來解決。阻抗調(diào)諧器是通過內(nèi)部探針的移動來測量各頻率點的阻抗，測量時反復調(diào)節(jié)源端阻抗和負載端阻抗直至達到良好的阻抗匹配。理論上，當源端阻抗與被測件的輸入阻抗、負載端阻抗與被測件的輸出阻抗形成共軛匹配時，認為系統(tǒng)的阻抗匹配達到了最佳的效果，這時系統(tǒng)的輸出功率或增益達到最大。負載牽引技術(shù)就是通過阻抗調(diào)諧器來不斷地調(diào)節(jié)源端阻抗和負載端阻抗，盡可能減小反射功率，以找到輸出功率或增益的最大值點［5］。阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 負載牽引基本原理圖圖

1.4 誤差

夾具的引入不可避免的給被測器件的測試帶來了誤差，由于增加了測試夾具，所以測試結(jié)果是包含被測器件和夾具兩部分的。那么要得到被測器件的真實性能參數(shù)，就必須把夾具的誤差去除掉，這也是固態(tài)功率器件測試中遇到的難題。目前夾具誤差的去嵌入多見SOLT和TRL校準方法，但相比之下，TRL校準技術(shù)更適合于非同軸的測試環(huán)境。TRL［6］即Through(直通件)，Reflect(反射件)，Line(延遲線標準件)，該校準技術(shù)是通過已知特性的標準校準件來完成對夾具效應的移除。通過非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對測試系統(tǒng)的校準將測試端面校準到測試夾具兩端，再通過TRL校準件的校準將夾具的效應去除掉，進而將測試端面移到被測器件的兩端，從而可以得到被測器件的“凈”參數(shù)。該方法采用的是8項誤差模型，相對于傳統(tǒng)同軸式測量的12項誤差有所簡化［7］。相同的制作材料有利于準確的完成測試夾具的去嵌入，圖4給出了采用黃銅鍍金材料研制的測試夾具校準件。

圖4 TRL校準件

1.5 自激或振蕩

自激或振蕩在晶體管測試當中會產(chǎn)生非常不利的影響，因為輕微的振蕩會使晶體管不能穩(wěn)定工作，而嚴重的振蕩會使管子過熱或擊穿，導致晶體管的永久性失效［2］。引起自激振蕩的原因有很多，但在常規(guī)測試當中應該注意以下幾點，以避免產(chǎn)生自激或振蕩。

1)避免晶體管過熱。長時間加電會使管子長時間工作在過熱狀態(tài)，為了避免發(fā)生自激現(xiàn)象，應該做好管子的散熱工作，通過良好的散熱設(shè)計或加散熱片來消除過熱效應，以避免管子自激或振蕩。

2)避免電源饋電網(wǎng)絡(luò)的相互影響而產(chǎn)生振蕩。由于晶體管的柵極和漏極都要加電源饋電，那么兩者之間很容易產(chǎn)生串擾，另外直流電源還會引入一些低頻噪聲，這些影響都會使晶體管產(chǎn)生振蕩，通?？梢酝ㄟ^自己設(shè)計的直流偏置電路或外加Bias Tee的方式來避免晶體管產(chǎn)生自激或振蕩。

2 測試平臺的搭建

通過上述理論研究與分析，本文采用負載牽引技術(shù)及TRL校準技術(shù)來完成固態(tài)功率器件的測試，測試框圖如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)框圖

選取已知器件特性的某款SiC功率晶體管在上圖所示的測試平臺中進行測試驗證，所選器件頻率為3.1～3.4 GHz，功率70 W，偏置條件為:VDS=50 V，VGS=-12 V，在不同頻率下完成前述校準及驗證工作，頻率在3.2 GHz時，負載牽引后，源端阻抗為:Zsource=(7.00-j8.00)Ω，負載端阻抗為:Zload=(1.23-j4.91)Ω，史密斯圓圖如圖6所示，并測得輸出功率、功率增益、效率等數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 3.2 GHz阻抗匹配

表1 測試數(shù)據(jù)

測試所得數(shù)據(jù)滿足被測器件Datasheet中所給器件各項參數(shù)性能指標，可見本測試平臺可以很好的進行阻抗匹配的調(diào)節(jié)，并有效的去除夾具引入的誤差，進而得到被測器件的“凈”參數(shù)。

3 結(jié)束語

本文對固態(tài)功率器件測試中應注意的問題進行深入的探究和分析，并給出了解決問題的措施，并通過搭建試驗平臺來驗證解決措施的有效性和測試平臺的準確性，對固態(tài)功率器件測試的進一步研究具有一定的指導意義，并為計量測試的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］周春林.微波半導體器件S參數(shù)的測量［J］.宇航計測技術(shù)，1989，9(3):24-29.

［2］彭高森.微帶功率放大器振蕩分析［EB/OL］.［2015-03-15］.http://wenku.baidu.com/view/8d69a7bafd0a79563c1e 72ae.html.

［3］邢靖，孫衛(wèi)忠.基于負載牽引測試系統(tǒng)的功率管參數(shù)提?。跩］.微波學報，2009，25(3):56-63.

［4］邢靖.C波段固態(tài)大功率放大器的理論研究與設(shè)計［D］.2008，11-30.

［5］Focus Microwave Inc.Basics on Load Pull and Noise Measurements:Canada［P］.Application Note8.1994.

［6］劉迪.怎樣設(shè)計和驗證TRL校準件及具體過程［J］.電子產(chǎn)品世界，2008，(3):123-126.

［7］顧宏亮.網(wǎng)絡(luò)分析儀校準的基礎(chǔ)知識［EB/OL］.［2015-03-20］.http://www.doc88.com/p-304514646370.html.