碳化硅功率二极管辐射效应测试系统的开发

摘要：为探究碳化硅功率器件抗辐照损伤能力和辐射效应机制，基于LabVIEW软件开发平台，利用Keithley公司的2410高压源表、USB-GPIB接口适配器等设备，针对两款商用碳化硅功率二极管，建立了一套辐射效应测试系统。系统在集成了Keithley2410高压源表功能面板模拟仿真实时控制和信息同步显示的基础上，还实现了电压和电流数据的实时采集、图像化的I-V和Ｉ-t特性曲线显示及存储等功能。开发的测试系统在碳化硅功率二极管的重离子和质子辐照实验中成功应用，为今后深入开展辐射效应实验研究提供了技术保障。

关键词：碳化硅功率二极管辐射效应单粒子烧毁测试系统LabVIEW

中图分类号：TN313.4

DevelopmentofRadiationEffectTestingSystemforSiliconCarbidePowerDiode

LIUJiancheng1，2GUOGang1，2*HANJinhua1，2LIUCuicui1，2

1.ChinaInstituteofAtomicEnergy;2.NationalInnovationCenterofRadiationApplication，Beijing，102413China

Abstract：Thispaperistoexploretheradiationresistanceandtheradiationeffectmechanismofsiliconcarbidepowerdevices.BasedonLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform，aradiationeffecttestsystemfortwocommercialsiliconcarbidepowerdiodeswasestablishedbyusing2410highvoltagesourcemeterandUSB-GPIBinterfaceadapterofKeithleycompany.OnthebasisofintegratingKeithley2410high-voltagesourcemeterfunctionpanelsimulationandreal-timecontrolandinformationsynchronizationdisplay，thesystemalsorealizesthereal-timeacquisitionofvoltageandcurrentdata，thedisplayandstorageofgraphicalI-VandI-tcharacteristiccurves，andotherfunctions.Thedevelopedtestingsystemhasbeensuccessfullyappliedintheheavyionandprotonradiationexperimentsofsiliconcarbidepowerdiodes，providingtechnicalsupportforfurtherresearchonradiationeffectexperimentsinthefuture.

KeyWords：Siliconcarbidepowerdiode;Radiationeffects;Singleeventburnout;Testingsystem;LabVIEW

近年来，随着我国航天事业迅猛发展，对高性能电子器件的需求越来越高。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、耐高温、耐辐照等优势，SiC器件已被纳入航天发展战略部署[1-2]。然而，空间中的质子、重离子等高能辐射粒子会导致SiC器件发生位移损伤效应和单粒子效应（SingleEventEffect，SEE）等辐射效应，最终造成器件的性能退化甚至永久失效[3-4]，影响航天任务的达成。SiC结势垒肖特基（JunctionBarrierSchottky，JBS）功率二极管具有大电流、高反向偏压、开关速度快、抗浪涌电流强等特点，特别适合航天电源系统的应用。国内外对SiCJBS功率二极管的辐射效应研究表明其存在单粒子烧毁（SingleEventBurnout，SEB）等现象。目前，SiCJBS的辐射效应机理仍是当今国际辐射效应领域的研究热点[5-6]。本文针对两款商用SiCJBS功率二极管开发了辐射效应测试系统，并进行了实验应用，为今后开展其辐射效应机理研究打下良好基础。

１测试系统总体结构

测试系统总体结构如图1所示，主要由装有LabVIEW软件的PC计算机、Keithley2410高压源表、SiCJBS功率二极管测试板、USB-GPIB接口适配器等部分构成。

测试系统工作过程如下：将PC计算机与Keithley2410高压源表通过USB-GPIB接口适配器物理连接成功后，打开源表电源开关，当PC计算机程序与源表的GPIB地址参数设置一致时，可通过发送SCPI程控仪器标准命令至源表，实现源表功能面板的模拟仿真及器件电压-电流值同步测量等功能。本测试系统就是通过USB-GPIB接口适配器将源表所测的器件电压-电流值传输到PC计算机，并通过LabVIEW软件分析数据并作图，从而获得器件的I-V、I-t特性曲线图。

所设计的SiCJBS功率二极管辐射效应测试系统具备功能如下。

（1）在扫描电压模式下，可监测器件的漏电流随电压的变化即I-V特性曲线（包括正向和反向I-V特性测试）。

（2）在设定不同偏置电压下，可监测器件的漏电流随时间的变化即I-t特性曲线，并具有检测SEB的功能。

2系统硬件介绍

2.1 测试器件

系统测试的两款SiCJBS功率二极管为国外Infineon公司、国内泰科天润公司的产品，编号分别为1#和2#，两个器件均采用双芯TO-247-3规格共阴极封装，额定电压均为1200V、额定电流均为40A。为保证辐照重离子能够进入器件有源区，在进行实验前对全部器件进行了开封处理，如图2所示。所有开封后的器件均需使用测试系统测试其正、反向I-V特性，确保器件性能正常。实验时，使用测试系统在器件辐照过程中进行不同偏置电压的控制以及漏电流的实时监测与存储，以此测试器件的SEB现象。

2.2测试源表

Keithley2410是一款1100V/1A的高压源表，具有线性扫描、对数扫描和自定义扫描等功能，可同时对器件进行电压与电流的测量，实现SICJBS功率二极管的I-V、I-t特性测试以及SEB测试。该源表能够与LabVIEW软件兼容，通过远程操作SCPI命令编程[7]，用PC计算机来控制源表，大大扩展了源表的测试功能，减少了人工干预，提高了测试效率。

2.3USB-GPIB接口适配器

本系统中PC计算机与Keithley2410高压源表通过KeithleyKUSB-488B接口适配器实现物理连接[8]。该接口适配器可以将具有USB接口的PC计算机变成一个功能齐全的GPIB控制器，可使任意一台PC计算机与带有GPIB接口的源表进行通信。该接口适配器符合USB2.0标准，兼容IEEE-488.2标准且传输数据的速率高达1.5MB/s，其适用系统平台可以是Windows、Linux等，可很方便地通过LabVIEW编程，实现对Keithley2410高压源表的自动控制。

2.4器件测试板

器件测试板原理如图3所示，采用LabVIEW编程实现Keithley2410高压源表前、后两面板输出自动切换，可实现器件的SEB测试和正反向I-V、I-t特性测试。制作好的器件测试板如图4所示，主要包括连接Keithley2410高压源表测试线缆用的SMA插座、器件安装用的陶瓷座等，测试板可同时安装6个器件，以满足辐射效应实验研究的需要。

3系统软件设计

本系统软件使用LabVIEW语言作为SiCJBS功率二极管辐照效应测试系统的开发平台。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是使用G编程语言创建应用程序的编程环境[9]。与传统的基于文本的编程语言（如C++或Python）不同，LabVIEW使用数据流编程方式，可以通过图形化的方式来表示和控制程序的执行流程。使用LabVIEW编写软件，可使软件功能完备、运行高效、操作简单而又用户界面友好。

3.1软件总体结构设计

SiCJBS功率二极管的I-V测试和I-t测试是测试系统的两个基本功能，其中I-V测试包括设置开始、停止扫描电压值及测试点数，显示I-V测试曲线并保存I-V数据；I-t测试包括设置电压值，SEB电流阈值、显示I-t测试曲线并保存I-t数据。系统软件的总体结构如图5所示。

程序划分为两个主要的I-V测试和I-t测试功能模块，每个功能模块实现各自不同的功能。编程时按照模块化的思想，将各个功能模块逐一加以实现，将有些模块生成子程序VI，供程序主体调用。最后，将这些功能模块整合成完整的测试系统软件。

3.2I-V测试模块的程序设计

如前所述，Keithley2410高压源表提供了三种扫描类型：线性扫描、对数扫描和自定义扫描。若使用2410源表功能面板配置一次I-V测试扫描功能，需要人工选择多个菜单和按钮，操作繁琐，易出错；需要查阅2410源表用户手册才能完成。为了解决此问题，本系统设计了I-V测试程序，可作为子程序VI由主程序调用。该程序是采用Keithley2410高压源表已认证的LabVIEW即插即用仪器驱动程序[10]，通过LabVIEW对源表仪器驱动程序中的Keithley2410扫描程序.vi进行编程。首先，对Keithley2410高压源表进行初始化设置以及清空各个寄存器，使用初始化.vi完成。然后，设置测量电流、V/I模式输出、扫描开始和结束电压、扫描测试点数，分别通过设置测量模式.vi、设置输出V/I模式.vi、设置输出扫描.vi来实现。接下来，通过输出使能.vi启动源表输出，通过测量.vi让源表执行扫描方式测试任务，并作图显示I-V曲线，再次执行输出使能.vi完成关闭源表输出，最后执行关闭.vi结束全部任务操作。设计的I-V测试程序框图如图6所示，将LabVIEW中的图形显示控件的输入端通过创建XY图和转换至动态数据连接至测量.vi的输出端，则可以在前面板中获得器件的正、反向I-V特性曲线，如图7和图8所示。

3.2I-t测试模块的程序设计

本系统设计的I-t测试程序，同样使用Keithley2410高压源表仪器驱动程序中的READ.vi进行编程，完成器件I-t及SEB测试。利用LabVIEW中创建波形函数，将函数输入端t0、Y分别与READ.vi电流输出端及获取日期/时间函数输出端连接，dt设置为1s，可获得器件的I-t测试曲线；在I-t测试的同时，将获取的器件电流值与SEB限定电流值比较，若前者大于等于后者，则会立即发出SEB警告信息，并同时将源表断电，以保护被测试器件。其程序框图如图8所示，其中创建波形函数中的t0为波形的起始时间、dt为波形中数据点间的时间间隔、Y为波形的数据值。I-t测试程序编好后，将此程序全部代入系统主程序框图内即可实现I-t及SEB测试的功能。

3.3功能面板模拟仿真程序设计

本系统Keithley2410高压源表功能面板模拟仿真程序，使用的是源表用户手册提及的SYSTem命令组中的：SYSTem：Key<NRf>命令，利用LabVIEW提供的界面功能，在外型上完全模拟Keithley2410高压源表的功能面板，实现真实面板上各个按键的功能，并可以实现源表的实时控制和信息的同步显示。源表功能面板上每一个功能键均对应了一个数字（如图9所示），如执行：SYSTem：KEY24相当于人工按一次按键“ON/OFF”；执行SYSTem：Key32相当于人工按一次按键“FRONT/REAR”，实现前后面板输出的切换，完成两个器件的切换测试功能。采用SYSTem：KEY<NRf>方法，显示将成为最重要的部分，实验人员必须根据反馈的提示信息继续按键，才能最终设置参数。源表功能面板有2个显示：一是主显示行，一是次显示行。前者主要显示测量的类型（电压、电流等）、菜单说明、错误信息等，后者则是显示测量选择的范围、菜单选项、其他的信息等。Keithley2410高压源表提供了不同的编程命令，主显示和次显示的命令分别为：DISPlay：WIND1：DATA？和：DISPlay：WIND2：DATA？。在此通过编写读信息子程序VI，将源表两个显示行的字符读入PC计算机，最终程序界面如图10所示。

4.4测试系统主程序的设计

如前所述，在完成各功能模块程序设计后，就可进行测试系统主程序整合设计。本测试系统主程序设计采用了事件“状态机”的模式，有Initialize、WaitforEvent、Buttonexecution、I-VTest、I-tTest、Exit这6个状态分支，分别执行系统主界面显示及状态初始化、等待事件、按钮执行、I-V测试、I-t测试、退出系统六个功能，其流程图如图11所示。

主程序运行后首先进入“Initialize”状态进行初始化操作，然后进入“WaitforEvent”状态，等待选择按钮操作。如点击Keithley2410高压源表功能面板中的“ON/OFF”按键时，便进入“Buttonexecution”状态，完成源表电源输出操作后，进入“WaitforEvent”状态，继续等待选择按钮操作。此时若选择I-t测试并设置SEB阈值后，点击“Start”按钮，便进入“I-ttest”状态，测试器件的电流值，实时显示I-t曲线并保存数据，同时与SEB阈值比较。如果发生SEB，程序会给出SEB警告信息并自动关闭源表电源输出，然后进入WaitforEvent”状态；若未发生SEB，可自行按“Stop”按钮结束I-t测试状态，转入“WaitforEvent”。此时若选择I-V测试并设置开始、结束扫描电压值以及测试点数后，点击“开始”按钮，进入“I-VTest”状态，完成I-V扫描测试后，程序自动进入“WaitforEvent”状态。若点击“Exit”按钮，则程序进入“Exit”状态，退出整个测试系统。整个测试系统主程序框图如图12所示，主程序运行界面如图13所示，最终设计完成的SiCJBS功率二极管辐射效应测试系统如图14所示。LabVIEW图形化的编程语言环境大幅简化了程序的复杂程度，提高了程序的执行效率。

5实验应用

在北京HI-13串列加速器上，利用该辐射效应测试系统对两款商用SiCJBS功率二极管开展了重离子和质子辐照实验研究[11-12]。以重离子辐照实验为例，在208MeVGe离子辐照中成功监测到了两款器件的反向漏电流的I-t特性曲线及SEB现象，如图15所示。辐照停止触发条件是器件发生SEB现象（将电流超过1×10-5A判定为发生SEB），或者辐照注量达到1×107ions/cm2，实验结果如表1所示。可见，国产器件对Ge离子的响应结果相似，但在-300V偏压下未发生SEB；国外器件在-300V偏压下发生了SEB。两款器件受到Ge离子辐照前后的I-V特性如图16所示，受到Ge离子辐照之后的正向I-V特性呈现一定程度改善。

6结语

本文针对两款商用SiCJBS功率二极管开发了一套辐射效应测试系统，在硬件上不仅实现了专用测试电路板的设计，而且也实现了利用USB-GPIB接口适配器完成了Keithley2410高压源表与PC计算机之间物理连接的功能，保证了获取数据的高速传输；在软件上，基于LabVIEW图形化编程语言环境实现了对Keithley2410高压源表功能面板模拟仿真的实时控制和信息的同步显示，同时也实现了器件的正反向I-V特性曲线扫描、反向漏电流监测与存储、I-V和I-t特性曲线作图等功能。该测试系统在北京HI-13串列加速器的重离子和质子辐照实验中成功进行了应用，为实验研究人员对SiC功率器件机理研究工作提供了技术支撑，也为后续SiC功率器件MOSFET、JFET、IGBT等辐射效应测试系统的开发提供了宝贵经验。

参考文献

[1]刘超铭，王雅宁，魏轶聃，等.SiC功率器件辐照效应研究进展[J].电子与封装，2022，22（6）：5-16.

[2]彭超，雷志锋，张战刚，等.重离子辐照导致的SiC肖特基势垒二极管损伤机理[J].物理学报，2022（17）：275-282.

[3]李治明.高能质子和重离子辐照碳化硅肖特基势垒二极管导致损伤效应的研究[D].兰州：兰州大学，2022.

[4]张鸿，郭红霞，顾朝桥，等.SiCJBS二极管和SiCMOSFET的空间辐照效应及机理[J].太赫兹科学与电子信息学报，2022，20（9）：884-896.

[5]于庆奎，张洪伟，孙毅，等.SiC结势垒肖特基二极管的重离子单粒子效应[J].现代应用物理，2019，10（1）：010602.

[6]曹爽，于庆奎，郑雪峰，等.重离子辐照1200V碳化硅二极管漏电退化的缺陷分析[J].装备环境工程，2020，17（30）：53-58.

[7]KeithleyInstrumentsInc.Series2400SourceMeterUser’sManual[R].USA：

KeithleyInstrumentsInc.，2011.

[8]KeithleyInstrumentsInc.IEEE-488（GPIB）InterfaceSolutions[R].USA：KeithleyInstrumentsInc.

[9]NationalInstrumentsCorporation.LabVIEW用户手册[DB/OL].https：//www.ni

.com/docs/zh-CN/bundle/labview/page/user-manual-welcome.html，2023.

[10]NationalInstrumentsCorporation.Keithley24XXMeterCertifiedLabVIEWPlugandPlay（project-style）InstrumentDriver[DB/OL].https：//sine.ni.com/apps/utf8/niid_

web_display.download_page？P_id_guid=25B255F3AA83660EE0440003BA7CCD7.

[11]刘翠翠，李治明，郭刚，等.碳化硅肖特基势垒二极管重离子辐照及退火效

应研究[C]//国核学会辐射物理分会.第五届全国辐射物理学术交流会论文集.中国核学会辐射物理分会，2023：15.

[12]刘翠翠，郭刚，李治明，等.碳化硅结势垒肖特基二极管的质子辐射效应[J].同位素，2022，35（6）：449-459.