用吉时利源表实现二极管特性曲线测试

薛克瑞，顾汉玉

（1．深圳市良机自动化设备有限公司，广东深圳，518000；2.华润赛美科微电子（深圳）有限公司,广东深圳，518000）

用吉时利源表实现二极管特性曲线测试

薛克瑞1，顾汉玉2

（1．深圳市良机自动化设备有限公司，广东深圳，518000；2.华润赛美科微电子（深圳）有限公司,广东深圳，518000）

二极管的伏安特性曲线直观地反应了器件的性能，传统上采用阴极射线管（CRT）的晶体管图形仪进行测试，设备体积大、能耗大，测试精度低，人工读数的方式还会带来无法避免的主观差异。随着测试技术和计算机技术的发展，可以采用数字源表加控制软件的方法实现二极管特性曲线的测试。本文介绍了具体的实现方法。

晶体管；二极管；伏安特性；晶体管图示仪；ATE；PMU；数字源表

1 二极管特性曲线及测试

二极管的基本结构是PN结，实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异，图1是典型二极管的伏安特性曲线[1]，曲线分正向特性和反向特性两部分，曲线直观地反映出二极管的性能。

图1 二极管伏安特性曲线

为了测试和分析晶体管的特性，人们开发了晶体管特性测试仪，该仪器可以测试二极管、三极管及场效应管等分立器件。图2是其内部原理图，描述了共发射极晶体管电流放大倍数（HFE）的测试方法：在基极上施加阶梯电流，同时在CE间施加锯齿波电压，实现周期性扫描，在阴极射线管（CRT）上显示出图3中的晶体管共射输出特性曲线[2]。将二极管接在CE之间，基极不加阶梯波，直接加电压，即可得到图1中的二极管特性曲线。

图示仪具有直观、全面的优点，对工程分析非常有效。但由于使用CRT（类似老式的电脑显示屏），体积大，耗电多，同时精度不高，加上读数是人工的，不仅效率低，还会带来主观误差，已经不能满足需求，有被逐步淘汰的趋势。

图2 晶体管特性测试仪原理框图

图3 晶体管共射输出特性曲线

2 数字源表

数字源表是一种特殊的电源，源自自动测试设备（ATE：Automatic Test Equipment）中的精密测试单元（PMU：Precision Measurement Unit）），也叫V/I源，V/I源既可以输出电压或电流，也可以输入电压或电流，即可以四象限工作。也就是说V/I源可以工作在正、负电压，正、负电流任意一个象限中，分别为正电压电流拉出（象限I），正电压电流灌入（象限II），负电压电流灌入（象限III）和负电压电流拉出（象限IV）[3]，参考图4。

图4 四象限工作示意图

图5 四线开尔文测试示意图

在V/I源中，通常都采用四线开尔文测试的方法来消除附加的电阻和压降，进而保证负载两端电压的驱动和测试精度。V/I源的输出端分为FORCE和SENSE两种线，FORCE线用于电流的输入和输出，只有FORCE线中会流过负载电流IL，SENSE线用于电压的反馈和测试，SENSE线的输入端接有高阻抗输入的缓冲器，因此SENSE线中不会有电流流过，即便有附加电阻也不会产生附加电压降。FORCE线中的附加的电阻虽然会在大电流下产生附加电压降，但由于SENSE线独立接到负载两端，可以有效地扣除掉FORCE线中附加电阻和压降的作用，从而保证负载两端电压的驱动和测试精度。参考图5。

ATE是一种由高性能计算机控制的测试仪器集合体，是由测试仪和计算机组合而成的测试系统，计算机通过运行测试程序的指令来控制测试硬件，有各种参数测试必须的资源，包括PMU、DPS（Device Power Supplies，器件供电单元）、高速的存储器（Pattern Memory）、向量生成器、继电器矩阵等；通过编写系统测试程序控制ATE的资源，将电压、电流等信号加到待测器件上[4]。通常标准ATE的资源是固定的，用户只要直接使用就可以了，ATE适用于集成电路的测试，由于资源很多，设备造价很高，而且属于专用设备，很难根据实际需要配置硬件。

图6 二极管特性曲线测试系统

图7 源表基本配置图

图8 源表扫描方式配置图

图9 源表数据读取图

在一些较为简单的测试中，我们希望根据实际的需求搭建类似于ATE的系统；吉时利公司开发了一系列的源表，满足了这个需求。以吉时利（Keithley）2612B数字源表为例，该表是款双通道系统数字源表，每通道能提供精确的电流或电压的激励源，能提供相应电参数精确测试的解决方案，输出与测试均有多个档位可供选择。该源表集成了高精密电源、6位半数字多用表（DMM）等功能，具有RS232，GPIB与LAN等多种通信接口，很容易实现与上位机连接，组成测试系统，准确测试产品的各项电特性。

3 测试方案（硬件&软件）

二极管特性曲线测试系统硬件连接如图6所示。系统硬件主要由PC机，USB-GPIB通信线，吉时利源表和DUT接口电路组成。图中采用了开尔文连接法（四线连接），可以去除导线电阻对测试结果的影响。

软件采用美国NI公司的Labview编写。二极管的V-I关系曲线是由许多连续测试的数据点组成的，软件通过配置源表，采用扫描的方式实现多点数据采集。软件主要由以下三部分组成：

源表基本配置：包括存储空间的命名与定义，测试积分常数的设定，测试两线制和四线制选择，测试延时时间设定，测试滤波方式，参考图7所示。

源表扫描方式的配置：包括输出档位，扫描范围，扫描点数，事件相应类型，扫描脉宽的分配方式，参考图7。

源表仪表数据读取：包括数据输出类型的设定，源表仪表数据输出类型的转换，参考图8。

图10 LED红外发光二极管特性曲线（正向）测试

4 测试数据及结论

基于上述方法，我们测试了红外发光LED的正向特性曲线，图10是实际的测试结果。

图11 晶体管共射极电流放大倍数测试示意图

由图10可见，方案达到了预定的效果。改变扫描电压极性，可以实现反向特性的测试。本方案具有精度好、自动化程度高、记录方便的优点，软件记录的数据可以进行详细的分析。采用类似的方法，利用2612B源表的两路V/I 源，分别加在晶体管的集电极和基极上（参考图11），可以实现晶体管特性曲线的采集和记录。

[1]孙肖子,张企民.模拟电子技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2006年12月第9次印刷.

[2]顾汉玉. 一种快速测试晶体管共射极直流放大倍数（HFE）的方法[J].电子测试2016年5月（总344期）.

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

[4]顾汉玉. 晶圆测试中BIN分设置的一种巧妙应用[J].电子测试2012年8月（总255期）.

[5]（美）库姆斯 主编.电子仪器手册[M].科学出版社，2006年出版.

[6]侯国屏等.Labview7.1 编程与虚拟仪器设计[M].清华大学出版社，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，硕士，中级工程师，长期从事半导体封装设备和LED发光器件产品的开发。