适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路及测试方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路及测试方法。

背景技术

目前市面上的第三代半导体材料器件，如GaN(氮化镓)，SiC(碳化硅)等，由于具有过高的开关速度（di/dt电流上升(速)率和dv/dt电压上升(速)率），测试电路中的寄生参数会对测试结果造成严重的影响，所以在开关时间测试时，大功率回路中一般不接入继电器或开关。

而由于大功率回路有大电容的存在，且没有继电器或开关来断开，在测量器件VTH（阈值电压）值时，对阈值电压的测量结果和测量时间有很大的影响。例如，目前有客户需要使用0.25mA的恒定电流测量器件的VTH值，如器件的VTH值为6V，大功率回路中使用的电容为33uF，则测量时间根据公式：

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路及测试方法，以解决现有技术中用于测量半导体器件开关时间的测试电路测试阈值电压时测试时间较长的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

本发明第一方面提供一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路，包括：功率回路、开关时间测试电路以及阈值电压测试电路，所述阈值电压测试电路包括第一电源、第一开关、第二开关和第三开关，所述功率回路包括被测器件、第一电容，所述第一电源通过第一开关连接被测器件的集电极，通过第二开关连接被测器件的发射极，通过第三开关连接被测器件的基极，所述第一开关和第二开关闭合时，所述第一电源为所述第一电容充电，所述第三开关闭合时，所述阈值电压测试电路用于测试被测器件的阈值电压；所述开关时间测试电路连接所述功率回路进行被测器件的开关时间测试。

可选地，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路还包括：电荷释放电路，所述电荷释放电路连接所述第一电容两端，用于在进行开关时间测试以及阈值电压测试后释放第一电容中的电荷。

可选地，所述功率回路还包括：第一二极管和负载回路，所述第一二极管连接在被测器件和所述第一电容之间，所述负载回路连接在所述第一二极管两端；所述第一二极管用于在进行阈值电压测试时防止第一电容中的电流回流；所述负载回路用于在进行开关时间测试时接入所述第一二极管两端，所述第一二极管还用于在进行开关时间测试时作为所述负载回路的续流二极管。

可选地，所述第一电源包括低压隔离电源和恒流源，所述阈值电压测试电路还包括：依次连接的采样芯片、运算放大器以及第二二极管，所述低压隔离电源用于为恒流源、采样芯片以及运算放大器充电；所述恒流源用于提供阈值电压测试时的恒流输出；所述采样芯片和所述运算放大器用于采集被测器件的阈值电压。

可选地，所述开关时间测试电路包括：电源电路和驱动电路；所述电源电路连接功率回路，用于为被测器件提供电压；所述驱动电路连接被测器件，用于控制被测器件导通或截止。

可选地，所述电源电路包括第二电源、第二电容以及第一开关管，所述第二电源和所述第二电容通过第一开关管连接在所述第一电容两端；所述驱动电路包括第一驱动信号源、第二驱动信号源、第三二极管、第四二极管、第一可变电阻阵列、第二可变电阻阵列和第四开关，所述第四开关的一端连接所述被测器件，所述第四开关的另一端连接所述第一可变电阻阵列的一端以及第二可变电阻阵列的一端，所述第一可变电阻阵列的另一端连接第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接所述第一驱动信号源，所述第二可变电阻阵列的另一端连接第四二极管的阳极，所述第四二极管的阴极连接所述第二驱动信号源。

可选地，所述电荷释放电路包括第一电阻和第二开关管，所述第一电阻和所述第二开关管串联连接后并联在所述第一电容的两端。

本发明第二方面提供一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法，应用于本发明第一方面所述的适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路，所述测试方法包括阈值电压测试，所述阈值电压测试包括：控制第一开关和第二开关闭合，采用第一电流为第一电容充电第一预设时间；控制第三开关闭合，采用第二电流控制被测器件工作，第二预设时间后采集阈值电压；断开第一开关、第二开关和第三开关，闭合第二开关管，采用电荷释放电路释放第一电容中的电荷。

可选地，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法包括开关时间测试，所述开关时间测试包括：闭合第一开关管，采用电源电路为第一电容充电；闭合第四开关，采用驱动电路控制被测器件导通第三预设时间后控制被测器件截止；在第四预设时间后再次采用驱动电路控制被测器件导通以及控制被测器件截止；断开第一开关管，闭合第二开关管，采用电荷释放电路释放第一电容中的电荷。

可选地，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法包括：控制被测器件进行所述阈值电压测试；判断阈值电压测试结果是否在预设范围内；当在预设范围内时，控制被测器件进行所述开关时间测试；再次控制被测器件进行所述阈值电压测试；根据阈值电压测试结果判断被测器件是否损坏。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路以及测试方法，在开关时间测试的基础上，设置阈值电压测试电路，阈值电压测试电路中设置三个开关，通过开关的开断，先为第一电容充电；然后再进行被测器件阈值电压的测试；可以减小阈值电压的测试时间；同时通过阈值电压测试电路以及开关时间测试电路的设置，使得无需在功率回路中设置继电器或开关，不影响开关时间的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的结构框图；

图2为本发明实施例中适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的结构示意图；

图3为本发明实施例中进行开关时间测试的测试电路的结构示意图；

图4为本发明实施例中进行阈值电压测试的测试电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中阈值电压测试的流程图；

图6为本发明实施例中阈值电压测试的测量时序图；

图7为本发明实施例中开关时间测试的流程图；

图8为本发明实施例中开关时间测试的测量时序图；

图9为本发明实施例中适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路，如图1和图2所示，包括：功率回路10、开关时间测试电路20以及阈值电压测试电路30，所述阈值电压测试电路30包括第一电源、第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，所述功率回路10包括被测器件DUT、第一电容C1，所述第一电源通过第一开关K1连接被测器件DUT的集电极，通过第二开关K2连接被测器件DUT的发射极，通过第三开关K3连接被测器件DUT的基极，所述第一开关K1和第二开关K2闭合时，所述第一电源为所述第一电容C1充电，所述第三开关K3闭合时，所述阈值电压测试电路30用于测试被测器件DUT的阈值电压；所述开关时间测试电路20连接所述功率回路10进行被测器件的开关时间测试。

本发明实施例提供的适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路，在开关时间测试的基础上，设置阈值电压测试电路，阈值电压测试电路中设置三个开关，通过开关的开断，先为第一电容充电；然后再进行被测器件阈值电压的测试；可以减小阈值电压的测试时间；同时通过阈值电压测试电路以及开关时间测试电路的设置，使得无需在功率回路中设置继电器或开关，不影响开关时间的测试。

在一实施方式中，如图2所示，所述功率回路10还包括：第一二极管D1和负载回路，所述第一二极管D1连接在被测器件DUT和所述第一电容C1之间，所述负载回路连接在所述第一二极管D1两端；所述第一二极管D1用于在进行阈值电压测试时防止第一电容C1中的电流回流；所述负载回路用于在进行开关时间测试时接入所述第一二极管D1两端，所述第一二极管D1还用于在进行开关时间测试时作为所述负载回路的续流二极管。其中，负载回路包括串联连接的第五开关K5和功率电感L。当进行开关时间测试时，将第五开关K5闭合，功率电感L作为被测器件的串联电感负载。具体地，功率回路中还串联连接有电流传感器ICE，同时被测器件的集电极和发射极以及电流传感器还连接示波器测量通道AD/OSC，用于测量对应的开关时间波形。

具体地，如图2所示，被测器件的集电极和发射极还分别连接有集电极FORCE线（CF）、集电极SENSE线（CS）、发射极FORCE线（EF）、发射极SENSE线（ES）；其中，FORCE线为电路上提供激励的线路，SENSE线为电路上进行测量的线路。

在一实施方式中，如图3所示，为进行开关时间测试的电路结构。所述开关时间测试电路包括：电源电路和驱动电路；所述电源电路连接功率回路，用于为被测器件提供电压；所述驱动电路连接被测器件，用于控制被测器件导通或截止。

所述电源电路包括第二电源HV_POWER、第二电容C2以及第一开关管S1，所述第二电源HV_POWER和所述第二电容C2通过第一开关管S1连接在所述第一电容C1两端。其中第二电源HV_POWER可以采用大功率程控电源。

所述驱动电路包括第一驱动信号源DriverP、第二驱动信号源DriverN、第三二极管D3、第四二极管D4、第一可变电阻阵列GF、第二可变电阻阵列GS和第四开关K4，所述第四开关K4的一端连接所述被测器件，所述第四开关K4的另一端连接所述第一可变电阻阵列GF的一端以及第二可变电阻阵列GS的一端，所述第一可变电阻阵列GF的另一端连接第三二极管D3的阴极，所述第三二极管D3的阳极连接所述第一驱动信号源DriverP，所述第二可变电阻阵列GS的另一端连接第四二极管D4的阳极，所述第四二极管D4的阴极连接所述第二驱动信号源DriverN。

具体地，当进行开关时间测试时，闭合第四开关K4和和第一开关管S1，电源电路为被测器件提供电压；第一驱动信号源DriverP和第二驱动信号源DriverN驱动被测器件导通或截止，从而实现开关时间的测试。

在一实施方式中，如图4所示，为阈值电压测试时电路结构。所述第一电源包括低压隔离电源DC_POWER和恒流源IM，所述阈值电压测试电路还包括：依次连接的采样芯片ADC、运算放大器AMP以及第二二极管D2，所述低压隔离电源DC_POWER用于为恒流源IM、采样芯片ADC以及运算放大器AMP充电；所述恒流源IM用于提供阈值电压测试时的恒流输出；所述采样芯片ADC和所述运算放大器AMP用于采集被测器件的阈值电压。

具体地，在进行阈值电压测试时，先闭合第一开关K1和第二开关K2，采用低压隔离电源DC_POWER和恒流源IM为第一电容C1充电；当充满之后，闭合第三开关K3，低压隔离电源DC_POWER和恒流源IM提供的电流控制被测器件工作；当被测器件工作稳定后，采用采样芯片ADC和运算放大器AMP采集被测器件的阈值电压。其中，如图2和图4所示，低压隔离电源DC_POWER一端接地，另一端连接外部电源VCC。

在一实施方式中，如图2所示，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路还包括：电荷释放电路，所述电荷释放电路连接所述第一电容两端，用于在进行开关时间测试以及阈值电压测试后释放第一电容中的电荷。所述电荷释放电路包括第一电阻R和第二开关管S2，所述第一电阻R和所述第二开关管S2串联连接后并联在所述第一电容C1的两端。其中，当需要进行电荷释放时，控制第二开关管S2闭合，第一电容C1的电荷释放至第一电阻R中。

具体地，通过设置电荷释放电路，若第一二极管发生损坏需要更换时，通过电荷释放电路电荷的释放，能够避免器件更换时触电；另外，在进行阈值电压测试后进行电荷释放，能够使得测量阈值电压时的初始条件一致为0V，避免第一电容两端的电压对阈值电压的测量造成影响。

需要说明的是，在该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路中，第一开关、第二开关、第三开关以及第五开关可以采用继电器；第一开关管和第二开关管可以采用IGBT开关器件。

本发明实施例还提供一种适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法，应用于上述实施例所述的适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路，如图5所示，所述测试方法包括阈值电压测试，所述阈值电压测试包括如下步骤：

步骤S101：控制第一开关K1和第二开关K2闭合，采用第一电流为第一电容C1充电第一预设时间；具体地，第一开关K1和第二开关K2闭合后，恒流源IM提供100mA的恒流输出，恒流电流即为第一电流，第一电流经过第二极管D2和第一二极管D1为第一电容C1充电，由于此时第三开关K3没有接通，被测器件DUT为截止状态，第一电流不会经过被测器件。延时一段时间（5ms）即等待第一预设时间，使第一电容C1充电达到接近供电电压值，图4中VTH位置的测量值也是接近供电电压值。其中供电电压值选择应大于器件的VTH设置的上限值（10V），如15V。供电电压值为恒流源IM的供电电压，第一电容C1充满电后的电压为供电电压值减去第一二极管D1和第二二极管D2的管压降。

步骤S102：控制第三开关K3闭合，采用第二电流控制被测器件工作，第二预设时间后采集阈值电压；具体地，第三开关K3闭合后，此时恒流源IM提供测量需求而设定的恒流输出（如0.25mA）即第二电流，此时由于第一电容C1充电后的电压值大于被测器件阈值电压值，恒流源IM输出电流不会流到第一电容C1，只能往被测器件流，且第一二极管D1反相截止第一电容C1放电到被测器件上。延时1ms即等待第二预设时间待被测器件工作稳定后，阈值电压经过运算放大器（AMP）和采样芯片（ADC）后，将数值采样到处理器再进行数据处理和判断。其中，采集的阈值电压经过运算放大器（AMP），衰减10倍，衰减后电压进入采样芯片（ADC）的输入端，衰减后电压在采样芯片（ADC）中转换为数字信号，处理器连接采样芯片（ADC）接收转换后的数字信号，通过计算还原出实际的VTH值。

步骤S103：断开第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，闭合第二开关管S2，采用电荷释放电路释放第一电容C1中的电荷。步骤S101至步骤S103具体为阈值电压测试的具体流程，三个步骤分别对应图6中阈值电压测量时序图的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段，该阈值电压测量时序图具体包括阈值电压测量过程中第二开关管S2的开关状态随时间变化的曲线、第三开关K3的开关状态随时间变化的曲线、恒流源IM的输出电流随时间变化的曲线以及阈值电压的电压值VTH随时间变化的曲线。通过适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法测量阈值电压，阈值电压的测试时间可达到20ms以内。

本发明实施例提供的适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法，通过依次第一开关、第二开关以及第三开关，先为第一电容充电；然后再进行被测器件阈值电压的测试；可以减小阈值电压的测试时间；同时通过阈值电压测试电路以及开关时间测试电路的设置，使得无需在功率回路中设置继电器或开关，不影响开关时间的测试。

在一实施方式中，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法包括开关时间测试，所述开关时间测试包括：闭合第一开关管S1，采用电源电路为第一电容C1充电；闭合第四开关K4，采用驱动电路控制被测器件导通第三预设时间后控制被测器件截止；在第四预设时间后再次采用驱动电路控制被测器件导通以及控制被测器件截止；断开第一开关管S1，闭合第二开关管S2，采用电荷释放电路释放第一电容C1中的电荷。

具体地，如图7所示，在进行开关时间测试时，采用如下流程实现：闭合第一开关管S1，第二电源HV_Power为第一电容C1充电，此时，第二驱动信号源DriverN将被测器件截止；之后第一驱动信号源DriverP将被测器件导通，电流传感器采集的流过被测器件的电流在电感负载下缓慢上升，当电流传感器采集的流过被测器件的电流达到设定值时，第二驱动信号源DriverN将被测器件截止，其中缓慢上升至预设值的时间为第三预设时间。延时一段时间即等待第四预设时间，此时电感负载中的电流通过第一二极管D1续流。采用第一驱动信号源DriverP将被测器件导通，采用第二驱动信号源DriverN将被测器件截止。关闭第一开关管S1，打开第二开关管S2，为第一电容C1放电。各阶段波形通过示波器发送到上位机进行数据处理，得到开关时间。如图8所示为开关时间测试的测量时序图，具体包括开关时间测试过程中第一开关管S1的开关状态随时间变化的曲线、第二开关管S2的开关状态随时间变化的曲线、被测器件的门极电压VG随时间变化的曲线、被测器件的集电极电压VC随时间变化的曲线以及电流传感器ICE采集的流过被测器件的电流随时间变化的曲线。

需要说明的是，上述开关时间测试采用的是双脉冲的测试原理，其中，第一次将被测器件导通的目的是使得电流传感器采集的电流达到设定值，第二次导通的目的是为了获取电流传感器采集的电流达到设定值之后的被测器件开通的波形。即两次导通截止中，第一次只是为了先让电流达到设定值，第二次才是获取相应的波形进行开关时间计算。

上述实施方式给出了阈值电压测试以及开关时间测试的具体流程，但是具体何时对被测器件进行阈值电压测试，何时对被测器件进行开关时间测试，可以按照如下流程实现。即该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法包括：控制被测器件进行所述阈值电压测试；判断阈值电压测试结果是否在预设范围内；当在预设范围内时，控制被测器件进行所述开关时间测试；再次控制被测器件进行所述阈值电压测试；根据阈值电压测试结果判断被测器件是否损坏。

具体地，如图9所示，该适于开关时间测试和阈值电压测试的测试电路的测试方法采用如下流程实现：先测试被测器件的阈值电压值，确认被测器件是否有开短路；阈值电压正常后再进行开关时间相关参数测试；由于开关时间测试是高压大电流的测试，器件不良时会造成被测器件损坏，因此在开关时间测试完后，再进行一次阈值电压测试，确认器件是否在开关时间测试时损坏。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。