超越规格：更高电流的供给与测量

太阳能电池、电源管理器件、高亮度LED和RF功率晶体管的特性分析等高功率测试应用经常需要高电流，有时需要高达40A甚至更高的功率，MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）将需要100A以上的电流。但是，通常单电源技术指标中规定的DC电流最大值是有限制的。这项指标的限制通常取决于电源的设计、仪器中使用分立器件的安全工作区域，内部印制电路板上的金属线间距等。如果想增大电流输出并且使用SMU（Source Measurement Unit，源测量单元），可以采用多种测试模式和多个通道。

虽然DC电流源通常不允许使用脉冲输出，但是可以自己搭建脉冲电路。对于MOSFET或IGBT等功率器件的测试来说，脉冲源常常十分重要，因为DC测试电流会使DUT的电阻值因焦耳热产生偏移。虽然可以使用高功率脉冲发生器，但是它们不具备内建测量功能，因而高功率脉冲发生器要求用脉冲测试信号同步分立电表的工作。

脉冲扫描实现更高的功率
可以用脉冲扫描代替直流扫描以获得更高功率的I-V扫描，而且不影响测试结果。但是，使用电容器等DUT时，脉冲扫描则比不上直流扫描，因为在电压脉冲的陡峭边界会产生较大的位移电流，进而改变这些器件的电气特性。另一方面，脉冲I-V测试对于得到其他类型器件的最优测试结果（例如高功率RF功放，甚至低功率纳米级器件）来说非常重要。在高功率连续波（CW）测试中，半导体材料本身会以热量的形式消耗输入功率。随着器件中的材料变热，传导电流会降低，因为载流子和震动的晶格碰撞得更频繁（声子散射）。因此，由于自发热效应使电流的测量结果被错误地降低了。假定这些类型的器件通常工作在脉冲模式下（即，断续地而不是连续地），偏低的DC电流测量结果就不能准确反应这些器件的性能。在上述情况下，必须采用脉冲测试。

从使用直流扫描转换到使用脉冲扫描时，必须考虑以下两个因素。脉冲必须足够宽才有充足的时间让器件瞬态、导线连接和其他接口电路达到稳定，以使系统的测量稳定、可重复。但是，另一方面，脉冲宽度又不能超过测试仪器的最大脉冲宽度和占空比极限，从而违反仪器允许的功率占空比。脉冲过宽还会产生与DC扫描同样的器件自发热问题。

组合多条SMU通道实现更高DC电流
组合SMU通道实现更高DC电流最常用的方法是在DUT的两端并行连接电流源，如图1所示。

图1 组合多条SMU通道实现更高DC电流

此测试设置利用了著名的电学定律（基尔霍夫电流定律），它阐明了如果两个电流源并行连接到同一个电路节点，那么它们的电流将相加。这两台SMU都输出电流并测量电压。这两台SMU的全部LO阻抗端子（FORCE和SENSE）都接地。表1提供了这一特定配置的特性概要。

应当将SMU1和SMU2的输出电流设置为相同极性以获得最大输出。只要有可能，就将一台SMU配置为固定源，另一台SMU执行扫描。这有助于让两台SMU实现同步扫描。如果两台SMU都在扫描，那么它们的输出阻抗会自然而然地变化(例如，当仪表自动量程扩大或缩小时)。DUT输出阻抗还会显著变化，例如，从高阻抗的关断状态到低阻抗的导通状态。随着电路中许多阻抗元件的变化，会导致整个电路在每个偏置点上的建立时间延长。虽然这种瞬态效应会逐渐消失，但是固定将一台SMU作为源并将另一台SMU用于扫描，通常可以增加稳定性并缩短瞬态测量返回稳态的时间，进而实现更高的测试吞吐量。

融合脉冲扫描与多条组合的SMU通道
新的SMU架构简化了脉冲扫描法的功率增强优势与多条SMU通道并行工作的融合。例如，某些双通道SMU支持SMU通道数量从双通道增至四通道。使用脉冲扫描以及多通道功能输出的电流比使用一台SMU和DC扫描输出的电流更高。显然，实现该测试方法要格外注意保证人身安全。为了安全起见，隔离或安装障碍物对于防止用户接触带电电路来说非常重要。需要额外的保护技术防止损坏测试设置或DUT。多路脉冲必须紧密同步（达到纳秒级精度），从而一台设备不会提前上电并会损坏其他还没上电的单元。

图2给出了吉时利工程师使用一台SMU产生10A脉冲的实验举例的结果，此结果用示波器观察。测试DUT采用高功率精密电阻器（0.01W，±0.25%，KRL R-3274），脉冲宽度为300μs。示波器示出了幅度为0.1V（10A×0.01Ω）宽度为300μs的近似方波。组合4台并行的SMU输出40A脉冲至相同的DUT得到0.4V幅度的波形和通道之间的紧密同步（低抖动）。采用相同的测试设置和脉冲波形就能验证脉冲的一致性。

图2 使用一台SMU产生10A脉冲的实验结果

使用脉冲性能验证，工程师设置了4台组合SMU的脉冲扫描并取P-N二极管DUT上的I-V曲线（如图3所示）。值得注意的是，一台SMU的DC扫