使用源测量单元分析大功率IV特性

所有源测量单元(SMU)都有一个直流功率边界，代表该仪器进行吸灌电流操作时的电压和电流限制值。 此外，有些SMU在超过基本的直流电源边界时也可以工作，因为它们输出的是脉冲电流或电压，而不是提供恒定直流电源。 即使脉冲边界的延伸存在输出限制，但这些SMU对于高功率 IV特性分析而言仍然很有用，有助于降低整体复杂度。

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