目前，功率半導體受到越來越多的關注。這是因為在實現(xiàn)CO2減排及環(huán)保對策時，功率半導體起到的作用極大。比如在日本國內(nèi)，“變頻器家電（空調(diào)、洗衣機、冰箱）”已變得相當普遍。采用變頻器可使電力效率獲得飛躍性提高，但海外的普及率仍然很低。今后，以環(huán)保為關鍵詞，面向海外市場配備變頻器的比率極有望提高，功率半導體的市場規(guī)模也將得到大幅增加。

然而，迄今的功率半導體評測技術很難說已達到了充分的水平。以前一提到功率半導體評測，往往想到的是對電流和電壓的關系進行檢測的曲線描繪器（CurveTracer）。曲線描繪器盡管能夠掌握特性的傾向，但無法高精度檢測特性的絕對值。原來在評測功率半導體時不需要太高的檢測精度，而今后估計電力效率將成為家電產(chǎn)品及混合動力車和電動汽車等領域的競爭軸心。這樣，要想對變頻器等電源電路進行最佳控制，就必須以高精度對功率半導體的特性進行評測。

另外，使用GaN及SiC等材料的新一代功率半導體的開發(fā)也在迅速向前推進。這些功率半導體與現(xiàn)有Si功率半導體相比可實現(xiàn)高耐壓化和低導通電阻化。因此，研發(fā)一線亟需以超過以往的準確性，對高電壓下的泄漏電流以及大電流供給時的導通電阻等進行檢測。

為此，安捷倫科技（AgilentTechnologies）開發(fā)了電流檢測分辨率為0.1pA、電壓檢測分辨率為100μV的高精度功率半導體評測裝置“Power DeviceAnalyzer/CurveTracer”，并已從2009年下半年開始銷售。型號為“B1505A”(圖1）。支持的電壓高達3000V，支持的電流高達40A。而以往多在1000V/10A左右。而且，該裝置還可檢測靜電容量。日前，筆者采訪了負責開發(fā)該評測裝置的技術人員巖崎裕行、柿谷壽生、永井好，請他們介紹了開發(fā)契機、可高精度檢測的原因，以及與現(xiàn)有曲線描繪器的不同。（采訪人：山下勝己）

為何由美國安捷倫科技的日本法人負責開發(fā)？

巖崎：安捷倫日本法人有很多部門都在開發(fā)計測儀器及測試裝置。名為HSTD（Hachioji Semiconductor TestDivision）的部門就是其中之一。該部門從20世紀80年代上半期起就一直在開發(fā)對微弱信號半導體器件進行檢測的曲線描繪器。現(xiàn)在已推出很多機型。簡單說已經(jīng)向市場投放了6個系列，最新的系列是2005年開始銷售的“B1500A”。

事實上，HSTD以前還曾推出過面向功率半導體的模塊分析儀。當時是在1985年前后。推出的是連接到用于檢測微弱信號的參數(shù)分析儀上使用的機型。但市場并未像想象的那樣擴大。因此在2000年停止了銷售。

競爭對手撤出市場

為何又開始致力于功率半導體評測裝置的開發(fā)？

巖崎：從2000年起，我個人隱約感到，“今后環(huán)境保護及能源枯竭成為大問題的話，就可能需要高效使用能源的技術。這樣的話，功率半導體的需求就會擴大”。但當時功率半導體市場并未出現(xiàn)擴大跡象。因此一直沒有找到將上述想法付諸于開發(fā)的機會。

而之后形勢逐漸發(fā)生了變化。到了2005年前后，環(huán)保及能源等關鍵詞開始慢慢引起關注。于是我們對功率半導體評測裝置市場進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了處于事實標準地位的機型。這就是美國泰克（Tektronix）的曲線描繪器“370B/371B”。雖然該機型比較老，但通過反復小幅改進，長期保持著事實標準的地位。

然而這時卻突然聽到了一個令人意外的消息：“泰克將于2006年停止370B/371B的業(yè)務”。泰克停止業(yè)務的原因不得而知。但對我們卻是千載難逢的機會。當然，公司內(nèi)部也的確存在“連作為事實標準的機型都退出市場了，而安捷倫為何反要在這時涉足”的質(zhì)疑。但我們最終還是說服了這些人，展開了開發(fā)。

在著手開發(fā)之初，對性能及功能提出了什么目標？

巖崎：提出了三個開發(fā)目標。即“穩(wěn)定性”、“準確性”及“易用性”。

柿谷：從目前的曲線描繪器來看，很難說在檢測穩(wěn)定性及準確性上已經(jīng)擁有了足夠的性能。曲線描繪器以前在檢測誤差上根本就沒有規(guī)定。

這里我想以功率MOSFET的導通電阻檢測來說一下。最近，功率MOSFET的導通電阻不斷降低，有大量數(shù)mΩ的元件被推出。用現(xiàn)有曲線描繪器對這些元件進行檢測的話，誤差有數(shù)十mΩ之多。而且，反復進行多次檢測時，在未改變設定的情況下，檢測結(jié)果卻存在2～3倍的偏差。也就是說，檢測的再現(xiàn)性極差。這樣的話，就無法掌握導通電阻的真實數(shù)值。

因此，我們在開發(fā)B1505A時，就像普通計測儀器一樣，有了明確的誤差標準。誤差為1/10左右，再現(xiàn)性誤差為1/1000左右。由此實現(xiàn)高精度檢測。

巖崎：使用曲線描繪器即感到滿足的用戶真的需要如此高精度的測量儀器嗎？也許有些人會懷有這樣的疑問。不過，我堅信“使其成為必需品的時期一定會到來”。

這一判斷源于我們在微弱信號半導體用參數(shù)分析儀領域的經(jīng)歷。在微弱信號用途方面，也曾有過不要求高檢測精度的時期。其原因是半導體器件用戶、即電子設備廠商過去還有較大的設計余量。但是，隨著半導體制造技術的進步以及電子設備競爭的加劇，設計余量在逐漸變小，從而對計測儀器提出了高精度要求。

同樣的情況也出現(xiàn)在功率半導體器件領域。事實上，相關跡象已開始顯現(xiàn)。比如，變頻器通常以電壓為2級及3級的PWM信號進行控制，但目前有很多研究都在開發(fā)通過大量增加電壓級數(shù)、進行縝細控制來提高效率的技術。要對這種新型變頻器使用的功率半導體器件進行檢測，無疑是有高精度要求的。

運用電路技術實現(xiàn)開發(fā)目標

高“穩(wěn)定性”及“準確性”得以實現(xiàn)的技術要點都有哪些？

柿谷：B1505A的檢測概念與曲線描繪器存在根本性不同（圖2)。比如，曲線描繪器使用輸出電阻來調(diào)整外加電壓，因此存在電壓下降，無法將所希望的電壓施加至被檢測物的課題。而B1505A則可解決這一問題。其關鍵在于“SMU（Source MonitorUnit）”。該器件具備信號源和計測器兩種作用。而且，從信號源來看，即可用作電流源，也可用作電壓源。技術上的要點在于電路技術。通過對反饋進行優(yōu)化，進行了可實現(xiàn)理想狀態(tài)的設計，比如用作電壓源時的輸出電阻為零（0），用作電流源時的輸出電阻為無限大（∞）。也就是說，可以向被檢測物施加所希望的電流及電壓。由此實現(xiàn)了高穩(wěn)定性及準確性。 [!--empirenews.page--]

但該技術本身就是微弱信號半導體器件用參數(shù)分析儀所使用的技術。此次為適用于功率半導體器件進行了改進。

在“易用性”方面采用了哪些手段？

永井：為了使用戶能夠簡單地操作B1505A，準備了大約300個應用程序庫?？蓪β拾雽w器件的各種檢測提供測試設定上的支援。

比如，在檢測功率半導體器件的某項特性時，如果是“選擇最佳檢測模塊，設定電壓和電流，開始檢測”之類的方法，用戶就必須通過學習掌握計測儀器的諸多事項。這樣就會帶來沉重負擔。因此，在選擇檢測項目時，為用戶準備了對檢測模塊的選擇及連接，以及檢測參數(shù)的設定進行支援的機制。這就是應用程序庫。

另外還為習慣使用曲線描繪器的用戶準備了可像曲線描繪器一樣來使用的模式（圖3）。

開發(fā)難度成平方關系增加

開發(fā)中碰到的困難都有哪些？

柿谷：由于是高耐壓和大電流，所以付出了很大的努力。老工程師都說“電流、電壓增加一倍，設計難度就會成平方關系增加”，情況的確如此。雖然我們有過最大達到1000V/10A的設計經(jīng)歷，但B1505A要挑戰(zhàn)的是3000V/40A。電壓變成了3倍，電流變成了4倍。因此，難度相當于增加到了9倍（3的平方）和16倍（4的平方）的乘積，接近150倍。

最頭疼的是市面上沒有支持3000V絕緣耐壓的部件。盡管半導體、無源部件、連接器及電纜等有最大支持1000V的產(chǎn)品，但幾乎沒有能夠在更高電壓下提供保證的產(chǎn)品。所以，此次通過在使用這些部件的同時，對電路進行了改良，并開發(fā)了新的部件，確保了3000V的絕緣耐壓。

另外，由于是針對高電壓/大電流的評測裝置，因此還在確保用戶安全上費了很大心思。比如，當打開放置被檢測物的箱子（夾具）時，就會自動停止供電，以防止用戶觸電。

巖崎：保護電路的設計也相當辛苦。當裝置中的部分半導體器件發(fā)生故障時，就會損壞整個裝置。為了避免這種情況，必須要配備保護電路。

而保護電路對追求高精度檢測的計測儀器來說則是個“干擾”。因為它是由電阻、電容器及電感器組成的。加入保護電路的話，就很難以pA級別的高精度來進行檢測。個人感覺是最多只能實現(xiàn)μA級精度的檢測。雖然細節(jié)不便公布，但此次通過運用電路技術，在確保安全性的同時實現(xiàn)了高檢測精度。對于我們設計的保護電路，很多用戶都贊揚說“非常棒”。

通過高耐壓/大電流計測儀器的開發(fā)，是否還獲得了其他經(jīng)驗和知識？

柿谷：在超過1500V時，經(jīng)常會發(fā)生與絕緣擊穿相關的有趣現(xiàn)象。當然，原來也可施加1500V電壓，但過去沒有施加準確電壓，對發(fā)生的現(xiàn)象也沒有高精度檢測的手段。而使用B1505A即可實現(xiàn)。雖然B1505A是面向功率半導體器件的檢測而開發(fā)的，但對開發(fā)高壓用途材料的人員來說也極為有效。


圖1：開發(fā)的功率半導體評測裝置。將被檢測物裝到配有液晶顯示器的裝置機身上的夾具（箱子）中進行檢測。(點擊放大)


圖2：檢測概念和SMU。通過使用名為SMU的信號源兼檢測器實現(xiàn)了高精度檢測。SMU通過使用反饋技術，在用作電壓源時輸出電阻為零，而在用作電流源時輸出電阻就會變得無限大。(點擊放大)


圖3：曲線描繪器功能。使用曲線描繪器功能進行檢測后的結(jié)果。(點擊放大)