SiC/GaN功率半导体面临测试新挑战

半导体材料最近引来不少关注。在功率半导体领域，硅对于设备生产商的运行性能已经逼近极限。功率半导体用户需要更高效的、切换时损失电力不那么多的设备。
因此功率半导体厂商开始转向替代材料，更具体地说是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。选择这两种材料有很多理由，比如它们的宽禁带对高温应用很有吸引力。

举个例子，福特汽车公司就对用GaN设备完成混合动力车电源转换非常感兴趣。福特过去在这些应用里用硅功率MOSFET，但必须让它们远离绝大多数电源转换所在的引擎室。原因？它们受不了高热。结果就是更长的线和红外损失，完全与混合动力车的初衷背道而驰。作为对比，GaN设备可以在300°C摄氏度高温下正常工作。

当然，GaN功率半导体成本更高，对吧？其实没你想的那么高，特别是目前业界已经采用在硅衬底和氮化铝缓冲层之上生长GaN的技术。这使得设备厂商可以利用现有硅制程技术在衬底上生长PN结。GaN定价也从原先10-15倍于传统硅下降到更容易接受的水平——如果你确实需要性能提升的话。

因此我们有了能提供更高效、更耐用的高性能材料，并且价位也能让混合动力车、工业用引擎等大批量生产设备所接受。GaN在电源切换性能上远比硅更趋于完美——挡住无限大小的电压、承载无穷大的电流、完成实时切换，并且完全不需要驱动电源。当然，GaN还达不到完美的标准，但已经比硅接近太多：GaN能够阻挡更高的电压、有更低的电阻、速度也更快。具体有多快呢？哪怕在10A电流下，GaN FET都能在几毫秒间完成切换。这可能是80MHz的频率切换。

不过这种神奇的材料技术也有一个缺陷。在GaN开关里，电流提升更快、电压下滑更快。这意味着GaN设备虽然切换更快，但开启电压也和漏源接通电阻一样低。

设计师需要用示波器观察设备的运行规律、测量转换中的损失。这些设备中的电压变化幅度可以达到600V甚至更多，必须测量地更快。示波器必须有足够带宽来及时反映转换，并且提供足够高的分辨率来观察转换中的低电压。

这问题的一种解决方法来自探测方面。Tektronix技术营销经理Randy White表示：“我们听使用GaN功率半导体的工程师谈过这问题。他们希望带宽超过1GHz的设备完成KV级测量。”探测器在这里属于限制因素。顶级单端HV探测器能达到800MHz，或许可以应付600V的变化幅度。

另一个探测方面的问题是高压下的安全性。Tektronix和其它示波器厂商花了很大精力打造高压示波器，确保绝缘。但Tektronix的用户反对安全措施，因为它们会牺牲性能。

那么长引线传感器呢？不好，会带来太多电感导致电路负载或电路振荡。很难判断振荡究竟是因为电路不稳定还是测试设置。Tektronix尝试为高频测量加入这项需求，为探测器增加减震电阻实现高电压下的高保真。

在示波器方面则需要更高分辨率。今天绝大多数示波器提供8位分辨率。White表示超越这一限制的方法是通过平均化进行后期处理。White表示：“我们会提醒用户平均化有效，但这么做也有不足。”若要平均化奏效，测量信号得具有可重复性。那发动机的毛刺或者电流干扰呢？这种测量依然需要平均化才能提升分辨率。解决方法是通过积分平均（boxcar-averaging）技术，此时信号被过采样，这种办法可以降低随机噪声、实现更高分辨率的测量。

GaN功率半导体目前正在进行有限量产。国际整流器公司（International Rectifier）计划在未来12至18个月内实现全面量产。测量这些设备将成为很多工程师的问题。未来一两年还需要多留意一下这一领域的新闻和进展，不管是元器件方面还是测试方面。

下一页原文参考: Working with SiC/GaN Power Semis Poses Test Challenges