用吉時利源表實現二極管特性曲線測試

薛克瑞，顧漢玉

（1．深圳市良機自動化設備有限公司，廣東深圳，518000；2.華潤賽美科微電子（深圳）有限公司,廣東深圳，518000）

用吉時利源表實現二極管特性曲線測試

薛克瑞1，顧漢玉2

（1．深圳市良機自動化設備有限公司，廣東深圳，518000；2.華潤賽美科微電子（深圳）有限公司,廣東深圳，518000）

二極管的伏安特性曲線直觀地反應了器件的性能，傳統上采用陰極射線管（CRT）的晶體管圖形儀進行測試，設備體積大、能耗大，測試精度低，人工讀數的方式還會帶來無法避免的主觀差異。隨著測試技術和計算機技術的發展，可以采用數字源表加控制軟件的方法實現二極管特性曲線的測試。本文介紹了具體的實現方法。

晶體管；二極管；伏安特性；晶體管圖示儀；ATE；PMU；數字源表

1 二極管特性曲線及測試

二極管的基本結構是PN結，實際二極管由于引線的接觸電阻、P區和N區體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結的伏安特性略有差異，圖1是典型二極管的伏安特性曲線[1]，曲線分正向特性和反向特性兩部分，曲線直觀地反映出二極管的性能。

圖1 二極管伏安特性曲線

為了測試和分析晶體管的特性，人們開發了晶體管特性測試儀，該儀器可以測試二極管、三極管及場效應管等分立器件。圖2是其內部原理圖，描述了共發射極晶體管電流放大倍數（HFE）的測試方法：在基極上施加階梯電流，同時在CE間施加鋸齒波電壓，實現周期性掃描，在陰極射線管（CRT）上顯示出圖3中的晶體管共射輸出特性曲線[2]。將二極管接在CE之間，基極不加階梯波，直接加電壓，即可得到圖1中的二極管特性曲線。

圖示儀具有直觀、全面的優點，對工程分析非常有效。但由于使用CRT（類似老式的電腦顯示屏），體積大，耗電多，同時精度不高，加上讀數是人工的，不僅效率低，還會帶來主觀誤差，已經不能滿足需求，有被逐步淘汰的趨勢。

圖2 晶體管特性測試儀原理框圖

圖3 晶體管共射輸出特性曲線

2 數字源表

數字源表是一種特殊的電源，源自自動測試設備（ATE：Automatic Test Equipment）中的精密測試單元（PMU：Precision Measurement Unit）），也叫V/I源，V/I源既可以輸出電壓或電流，也可以輸入電壓或電流，即可以四象限工作。也就是說V/I源可以工作在正、負電壓，正、負電流任意一個象限中，分別為正電壓電流拉出（象限I），正電壓電流灌入（象限II），負電壓電流灌入（象限III）和負電壓電流拉出（象限IV）[3]，參考圖4。

圖4 四象限工作示意圖

圖5 四線開爾文測試示意圖

在V/I源中，通常都采用四線開爾文測試的方法來消除附加的電阻和壓降，進而保證負載兩端電壓的驅動和測試精度。V/I源的輸出端分為FORCE和SENSE兩種線，FORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會流過負載電流IL，SENSE線用于電壓的反饋和測試，SENSE線的輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會有電流流過，即便有附加電阻也不會產生附加電壓降。FORCE線中的附加的電阻雖然會在大電流下產生附加電壓降，但由于SENSE線獨立接到負載兩端，可以有效地扣除掉FORCE線中附加電阻和壓降的作用，從而保證負載兩端電壓的驅動和測試精度。參考圖5。

ATE是一種由高性能計算機控制的測試儀器集合體，是由測試儀和計算機組合而成的測試系統，計算機通過運行測試程序的指令來控制測試硬件，有各種參數測試必須的資源，包括PMU、DPS（Device Power Supplies，器件供電單元）、高速的存儲器（Pattern Memory）、向量生成器、繼電器矩陣等；通過編寫系統測試程序控制ATE的資源，將電壓、電流等信號加到待測器件上[4]。通常標準ATE的資源是固定的，用戶只要直接使用就可以了，ATE適用于集成電路的測試，由于資源很多，設備造價很高，而且屬于專用設備，很難根據實際需要配置硬件。

圖6 二極管特性曲線測試系統

圖7 源表基本配置圖

圖8 源表掃描方式配置圖

圖9 源表數據讀取圖

在一些較為簡單的測試中，我們希望根據實際的需求搭建類似于ATE的系統；吉時利公司開發了一系列的源表，滿足了這個需求。以吉時利（Keithley）2612B數字源表為例，該表是款雙通道系統數字源表，每通道能提供精確的電流或電壓的激勵源，能提供相應電參數精確測試的解決方案，輸出與測試均有多個檔位可供選擇。該源表集成了高精密電源、6位半數字多用表（DMM）等功能，具有RS232，GPIB與LAN等多種通信接口，很容易實現與上位機連接，組成測試系統，準確測試產品的各項電特性。

3 測試方案（硬件&軟件）

二極管特性曲線測試系統硬件連接如圖6所示。系統硬件主要由PC機，USB-GPIB通信線，吉時利源表和DUT接口電路組成。圖中采用了開爾文連接法（四線連接），可以去除導線電阻對測試結果的影響。

軟件采用美國NI公司的Labview編寫。二極管的V-I關系曲線是由許多連續測試的數據點組成的，軟件通過配置源表，采用掃描的方式實現多點數據采集。軟件主要由以下三部分組成：

源表基本配置：包括存儲空間的命名與定義，測試積分常數的設定，測試兩線制和四線制選擇，測試延時時間設定，測試濾波方式，參考圖7所示。

源表掃描方式的配置：包括輸出檔位，掃描范圍，掃描點數，事件相應類型，掃描脈寬的分配方式，參考圖7。

源表儀表數據讀取：包括數據輸出類型的設定，源表儀表數據輸出類型的轉換，參考圖8。

圖10 LED紅外發光二極管特性曲線（正向）測試

4 測試數據及結論

基于上述方法，我們測試了紅外發光LED的正向特性曲線，圖10是實際的測試結果。

圖11 晶體管共射極電流放大倍數測試示意圖

由圖10可見，方案達到了預定的效果。改變掃描電壓極性，可以實現反向特性的測試。本方案具有精度好、自動化程度高、記錄方便的優點，軟件記錄的數據可以進行詳細的分析。采用類似的方法，利用2612B源表的兩路V/I 源，分別加在晶體管的集電極和基極上（參考圖11），可以實現晶體管特性曲線的采集和記錄。

[1]孫肖子,張企民.模擬電子技術基礎[M].西安電子科技大學出版社，2006年12月第9次印刷.

[2]顧漢玉. 一種快速測試晶體管共射極直流放大倍數（HFE）的方法[J].電子測試2016年5月（總344期）.

[3] AccoTest Business Unit of Beijing Huafeng Test & Control Technology Co.,Ltd[Z]. STS8200應用文集.

[4]顧漢玉. 晶圓測試中BIN分設置的一種巧妙應用[J].電子測試2012年8月（總255期）.

[5]（美）庫姆斯 主編.電子儀器手冊[M].科學出版社，2006年出版.

[6]侯國屏等.Labview7.1 編程與虛擬儀器設計[M].清華大學出版社，2006年10月第4次印刷.

The V-I charcateristics of a diode testing with keithley SourceMeter

Xue Kerui1,Gu Hanyu2
(1．Shenzhen liangji automatic equipment Co.,Ltd,Shenzhen Guangdong,518000;2. China Resources Semicon Microelectronics(Shen Zhen)Co.,Ltd,Shenzhen Guangdong,518000)

The V-I characteristicsis very important for a diode and normally is recorded by curve tracer(displayed by CRT),the instrument gets low accuracy with big volume and high energy consumption,even more different operator may read different result. with the developing of testing technology and computercontroltechnology,we can realize the characteristics testing by using NI Labview with keithley SourceMeter.

transistor;diode;V-I characteristics;curve tracer;ATE;PMU;SourceMeter

薛克瑞，男，1977年生，碩士，中級工程師，長期從事半導體封裝設備和LED發光器件產品的開發。