Bild 1: Blockschaltbild eines konventionellen Kennlinienschreibers.

Bild 1: Blockschaltbild eines konventionellen Kennlinienschreibers.Tektronix/Keithley

Ein Kennlinienschreiber ist relativ einfach aufgebaut (Bild 1). Er enthält zwei Stromversorgungen zur Stimulierung des zu prüfenden Bauteils (DUT). Ein Schrittgenerator stimuliert den Steuer-Pin des Bauteils mit Gleichstrom oder Gleichspannung; die Kollektor-Stromversorgung legt eine Gleichspannung an den Ausgangskanal des Bauteils an. Zwei Verstärker überwachen die Spannung über und den Strom durch das Bauteil und steuern die vertikale und horizontale Ablenkung des Bildschirms, um  die verschiedenen Messwerte darzustellen. Zwei 10 Bit auflösende A/D-Wandler erfassen die Spannungen der Verstärker und wandeln diese in ein digitales Signal um.

Auf einen Blick

Seit Langem werden konventionelle Kennlinienschreiber als Standardinstrument bei der Bauteil-Charakterisierung eingesetzt, durch die immer schwierigere Verfügbarkeit und neue Bauteil-Herausforderungen ist diese Lösung inzwischen meist nicht mehr ausreichend. Glücklicherweise können SMU-Instrumente unterdessen viele der Aufgaben von Kennlinienschreibern übernehmen. Mit den erweiterten Fähigkeiten eines parametrischen Kennlinienschreibers, die über die Möglichkeiten einer SMUs hinausgehen, können auch künftige Charakterisierungs-Anforderungen erfüllt werden.

Kennlinienschreiber ermöglichen eine rasche Charakterisierung von zwei- und dreipoligen Halbleiterbauelementen wie Dioden, Bipolar-Transistoren (BJT), MOSFETs, IGBTs und so weiter. Sie ermöglichen die Erstellung der charakteristischen Strom-Spannungs-Kurven (I-U) des Bauteils mit hohen Spannungen und Strömen. Sobald die Kurven aufgenommen wurden, lassen sich mit Hilfe eines Bildschirm-Cursors die jeweiligen Bauteilparameter extrahieren. Hierzu gehören Parameter, wie beispielsweise die Durchbruchspannung in Sperrrichtung einer Diode, die Kennlinien von MOSFETs oder die Gleichstromverstärkung eines Bipolartransistors. Derartige Parameteranalysen sind bei jeder Stufe des Designs, der Entwicklung und der Herstellung von Halbleiterbauelementen erforderlich. Primär werden Kennlinienschreiber für eine Charakterisierung auf Bauteilebene in der Entwicklung, der Fehleranalyse und für die Wareneingangsprüfung verwendet.

Für die Hersteller von Power-ICs ist es bedauerlich, aber die Innovationsrate nimmt bei Silizium-basierten Bauteilen derzeit eher ab. Um die heutigen höheren Wirkungsgradziele zu erreichen, nutzen die Forscher zunehmend neue Halbleiter-Werkstoffe, wie Galliumnitrid (GaN) und Siliciumcarbid (SiC). Diese Materialien bieten durch eine größere Bandlücke gegenüber konventionellem Silizium mehrere Leistungsvorteile. Mit diesen Materialien lassen sich Bauteile mit geringeren Leckströmen (für ein besseres Schaltverhalten), einem niedrigeren Durchlasswiderstand (was den Wirkungsgrad durch geringere Leistungsverluste im Bauteil und eine höhere Leistung an der Last erhöht), eine höhere Leistungsdichte (was mehr Leistung bei weniger Platzbedarf ermöglicht) und schließlich für höhere sichere Betriebstemperaturen (was die Kühlungsanforderungen des Endprodukts reduziert) entwickeln.

Um die Leistungsvorteile dieser neuen Designs zu quantifizieren, müssen die Bauteile gründlich charakterisiert werden. Diese Aufgabe wurde normalerweise mit einem Kennlinienschreiber erledigt. Dies ist heute jedoch mit einigen Problemen verbunden. Auch wurde die Produktion der Kennlinienschreiber im Jahr 2007 eingestellt. Die Testingenieure müssen deshalb ihre vorhandenen Instrumente weiter nutzen und diese solange als möglich betriebsbereit halten. Das größere Problem ist aber, dass der konventionelle Kennlinienschreiber beim Test moderner Leistungshalbleiter mehrere entscheidende Einschränkungen hat. Glücklicherweise steht mit einer Source-Measure-Unit (SMU) eine leistungsfähige Testlösung zur Verfügung. SMUs kombinieren die Quellenfunktion einer genauen Stromversorgung mit den Messfunktionen eines sehr genauen Digital-Multimeters (DMM) in einem einzigen Instrument. SMUs bieten alle Merkmale, die für einen Test der aktuellen Halbleiterbauelemente erforderlich sind, wie Leistung, Dynamikbereich, Genauigkeit und Flexibilität.

SMUs und Leistung

Moderne Halbleiterbauelemente können extrem hohe Leistungen schalten, sodass auch für die Charakterisierung dieser Bauteile eine Testeinrichtung erforderlich ist, die hohe Ströme liefern kann. Für einen Test im Durchlasszustand werden sehr hohe Ströme benötigt, während ein Test im Sperrzustand sehr hohe Spannungen erfordert. Ein konventioneller Kennlinienschreiber hat zwei separate Stromversorgungen für diese Tests mit hohen Strömen und Spannungen. Mittlerweile gibt es SMUs, die diese hohen Werte ebenfalls erreichen.

Bild 2: Leistungshüllkurve der Hochstrom-Stromversorgung eines konventionellen Kennlinienschreibers im Vergleich zu einem modernen SMU.

Bild 2: Leistungshüllkurve der Hochstrom-Stromversorgung eines konventionellen Kennlinienschreibers im Vergleich zu einem modernen SMU.Tektronix/Keithley

Bei einem Test in Durchlassrichtung fließt viel Strom durch das Bauteil. Bild 2 zeigt einen Vergleich der Leistungshüllkurve der Stromversorgung eines konventionellen Kennlinienschreibers und von zwei parallel geschalteten Hochstrom-SMU-Instrumenten. Die beiden SMUs decken den größten Teil der Leistungshüllkurve des Kennlinienschreibers ab. Die Hochstrom-Stromversorgung des Kennlinienschreibers kann bei 0 A bis zu 30 V an das Bauteil anlegen, allerdings sinkt diese Maximalspannung mit zunehmendem Strom deutlich ab. Der Kennlinienschreiber kann bis zu 400 A ausgeben, aber nur wenn die Spannung über dem Bauteil auf 0 V zurückgeht. Wenn eine Spannung an das Bauteil angelegt wird, reduziert sich der maximal mögliche Strom. Dieses Phänomen wird als Lastkennlinien-Effekt bezeichnet und ist auf den Ausgangswiderstand der Stromversorgung zurückzuführen. Dieser verursacht einen Spannungsabfall bei einem Stromfluss. Der Widerstand ist absichtlich im Ausgang der Stromversorgung des Kennlinienschreibers enthalten, um den Stromfluss zu messen. Die Auswirkungen dieses Widerstands sind in den vom Kennlinienschreiber erfassten Daten für die I-U-Kurven eines Transistors erkennbar (Bild 3). Mit zunehmendem Strom sinkt jeweils die maximale Spannung am Ende der Kurve. Obwohl der Kennlinienschreiber in jeder Kurve bis zum gleichen programmierten Höchstwert hochläuft, ist die Maximalspannung am Bauteil unterschiedlich. Wird eine Linie durch die Enden dieser Kurven gezogen, dann ergibt sich eine Gerade. Diese entspricht der Lastkennlinie. Wird die Steigung dieser Linie gemessen, dann ist sie negativ proportional zum Ausgangwiderstand.

Bild 3: Lastkennlinien-Effekt.

Bild 3: Lastkennlinien-Effekt.Tektronix/Keithley

Im Gegensatz zum Kennlinienschreiber können zwei Hochstrom-SMUs parallel geschaltet bis zu 40 V bei bis zu 100 A liefern. Im Gegensatz zum Kennlinienschreiber haben sie keinen Lastkennlinien-Effekt, weil sie eine aktive Rückkopplungsschleife anstatt eines Serienwiderstands nutzen, um den Ausgang zu überwachen. Diese Schleife reduziert die Spannung nur, wenn der programmierte Stromgrenzwert erreicht wird. Dadurch erreichen alle Kurven die gleiche Spitzenspannung obwohl der Strom zunimmt. Das ermöglicht die Ausgabe des Maximalstroms bis zur maximalen Spannung und somit eine bessere Abdeckung in der Leistungshüllkurve. Zudem reicht die Leistungshüllkurve einer SMUs auch in die Quadranten II und IV, in denen das Gerät als Senke arbeitet. In diesen Quadranten gibt das Bauteil Leistung an die SMU ab. Es arbeitet hier als elektronische Last. Dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten der SMUs auf den Test weiterer Bauteile, wie DC/DC-Wandler und Solarzellen.

Bild 4: Ergebnisse eines Kennlinienschreibers für eine gfs-Messung.

Bild 4: Ergebnisse eines Kennlinienschreibers für eine gfs-Messung.Tektronix/Keithley

Kennlinienschreiber werden seit langem auch verwendet, um Steilheitstests (gfs) durchzuführen (Bild 4). Der bei SMUs fehlende Lastkennlinien-Effekt ist für diesen Test sehr wertvoll, da die Drain-Source-Spannung (VDS) einen Mindestwert einhalten muss, um gültige Ergebnisse zu erhalten. Bei diesem Test wird die Gate-Spannung durchfahren, wodurch der Drain-Strom zunimmt. Mit steigendem Strom nimmt allerdings die vom Kennlinienschreiber ausgegebene Spannung aufgrund des Lastkennlinien-Effekts ab. Wenn die Spitzenspannung nicht hoch genug eingestellt wird, kann die Drain-Source-Spannung unter den minimalen VDS-Wert für gültige Ergebnisse sinken.

Welcher Unterschied zwischen den Instrumenten ergibt sich nun bei einem Test, bei dem gfs mit VDS von 10 V und IDS von 30 A spezifiziert wurde? Bei einem Ausgangswiderstand des Kurvenschreibers von 75 mΩ ergibt sich bei einem Strom von 30 A ein Spannungsabfall von 2,25 V. Um bei 30 A eine Spannung von 10 V am DUT zu erhalten, muss die Maximalspannung am Gerät auf 12,25 V eingestellt werden. In Wirklichkeit ist für die Ermittlung des gfs-Werts ein noch höherer Strom als 30 A erforderlich, um die Cursor-Tangente entsprechend platzieren zu können. Dadurch muss die Spitzenspannung noch höher eingestellt werden. Im Gegensatz dazu muss man sich bei einer SMU keine Sorgen im Hinblick auf den Lastkennlinien-Effekt machen, was die Testprozedur vereinfacht. Der VDS-Wert kann einfach genau auf die spezifizierte Spannung eingestellt werden. Diese Spannung bleibt so erhalten, auch wenn der Drain-Strom zunimmt.

Programmierbare Stromgrenzwerte gehören zu den Vorteilen von SMUs gegenüber Kennlinienschreibern, sodass diese besser für einen Test moderner Leistungshalbleiter geeignet sind. Bei einer SMU kann, wenn die Spannung über dem Bauteil verändert wird, ein Grenzwert für den Strom festgelegt werden. So lassen sich Bauteilschäden vermeiden. Beim Kennlinienschreiber ist der in Reihe geschaltete Messwiderstand das einzige strombegrenzende Bauteil, das aber nur die Stromversorgung und nicht das Bauteil schützt.

SMUs bieten einen weiteren wichtigen Vorteil gegenüber konventionellen Kennlinienschreibern: sie können Strom oder Spannung einspeisen, was besonders für eine Messung des Durchlasswiderstands (Rds(on)) wichtig ist. Die Hersteller sind bestrebt den Durchlasswiderstand der Bauteile zu reduzieren, weil ein geringerer Widerstand weniger Verlustleistung bedeutet und damit den Wirkungsgrad des Bauteils erhöht. Mittlerweile sind Bauteile mit einem Rds(on) von weniger als 10 mΩ Standard. Beim Test von Bauteilen mit einem solch geringen Widerstand kann eine sehr kleine Änderung der Spannung eine große Änderung des Stroms verursachen. Zum Beispiel hat eine Spannungsänderung von 10 mV bei einem Bauteil mit einem Rds(on) von 2 mΩ eine Stromänderung von 5 A zur Folge. Wenn man bedenkt, dass die Hochstrom-Stromversorgung des Kennlinienschreibers eine programmierbare Auflösung von nur 30 mV hat und der Lastkennlinien-Effekt ignoriert wird, dann würde eine kleine Änderung am Drehknopf eine Stromänderung von 15 A verursachen!

Ähnliches gilt für das Beispiel eines Power-MOSFET mit einem Rds(on) von 1,5 mΩ bei einem IDS von 30 A. Nach dem Ohmschen Gesetz (U = I × R) ist nur eine Spannung von 45 mV notwendig, um bei diesem Bauteil einen Strom von 30 A zu erreichen (U = 30 A × 1,5 mΩ = 45 mV). Bei einer programmierbaren Auflösung des Kennlinienschreibers von normalerweise nur 30 mV kann die Einspeisung von 45 mV ziemlich schwierig sein. Die genaue Einstellung von 45 mV besonders bei diesem hohen Strom ist allerdings für alle Instrumente ein Problem. Dagegen ist die Messung von 45 mV relativ einfach. Im Allgemeinen ist daher die Einspeisung eines Stroms und die Messung einer Spannung bei einem niedrigen Widerstand vorzuziehen.

Während Kennlinienschreiber nur eine Spannung einspeisen können, ist bei SMUs eine Einspeisung von Spannung und Strom möglich. Dies ermöglicht mit einem SMU eine äußerst genaue Rds(on)-Messung. Die SMU Modell 2651A von Keithley kann beispielsweise einen Strom mit einer Auflösung von nur 2 pA einspeisen. Der hochempfindliche Spannungsmesser verfügt über eine Auflösung von 1 µV. Dies erlaubt hochgenaue Widerstandsmessungen sogar im Bereich von unter einem Milliohm.

Der Test des Durchlasszustands erfordert die Einspeisung eines hohen Stroms, während für einen Test des Sperrzustands eine hohe Spannung benötigt wird. Die aktuell erhältlichen Bauteile eignen sich für Spannungen von mehr als 1200 V, bei IGBTs sogar bis zu 2500 V. Ein konventioneller Kennlinienschreiber kann Spannungen bis zu 3000 V erzeugen, sodass er immer noch für einen Durchbruchtest von modernen Bauteilen geeignet ist. SMUs, wie das Hochspannungs-System-Sourcemeter Modell 2657 von Keithley, können bis zu 3000 V liefern. Im Gegensatz zu einem Kennlinienschreiber ist ein hoher Strom auch bei einer hohen Spannung möglich. Bei 3000 V kann der Kennlinienschreiber nur noch einen sehr geringen Strom liefern. Das Modell 2657A kann bis zu 20 mA bei 3000 V oder bis zu 120 mA bei 1500 V ausgeben und bietet damit erweiterte Möglichkeiten.

Wie das Hochstrom-SMU kann das Hochspannungs-SMU auch in den Quadranten II und IV arbeiten, was nicht nur das Leistungsspektrum erweitert, sondern auch die Testsystemsicherheit erhöht. Bauteile haben im Sperrzustand eine sehr hohe Impedanz und deshalb einen sehr geringen Leckstrom. Diese Bauteile haben außerdem eine gewisse Kapazität. Beim Test im Sperrzustand wird diese Kapazität durch eine hohe Spannung aufgeladen, durch den sehr niedrigen Leckstrom des Bauteils bleibt diese Ladung aber auch nach dem Abschalten der Spannung für eine gewisse Zeit erhalten. Die Möglichkeit der SMUs auch als Stromsenke arbeiten zu können, erhöht die Testsystemsicherheit, da die SMU so das Bauteil am Ende des Tests sehr schnell entladen kann. Dadurch erhält der Bediener keinen Stromschlag, wenn er kurz nach dem Test mit dem Bauteil in Berührung kommt.

SMUs und Dynamikbereich

Bild 5: Kennlinie einer Diode.

Bild 5: Kennlinie einer Diode.Tektronix/Keithley

Die Charakterisierung eines Bauteils erfordert eine Testlösung, die sowohl große als auch kleine Ströme genau messen kann. Bild 5 zeigt zum Beispiel die Kennlinie einer Diode. In dem Bereich zwischen der Durchbruchspannung in Sperrrichtung (Vbr) und der Durchlassspannung (Vf) sind die Ströme sehr klein. In den Bereichen unterhalb Vbr und über Vf sind die Ströme dagegen um mehrere Größenordnungen höher, besonders im Durchlassbereich. Deshalb wird ein Instrument mit einem äußerst großen Dynamikbereich benötigt, um dieses Bauteil genau charakterisieren zu können. SMUs bieten einen sehr großen Dynamikbereich.

Der Durchlass- oder Einschalt-Zustand-Test eines Bauteils wird normalerweise mit einer Hochstrom-Stromversorgung ausgeführt. Im Durchlassbereich einer Diode (unterhalb der Durchlassspannung) fließt ein sehr kleiner Strom. Das Bauteil hat nicht durchgeschaltet, sodass der aktuelle Strom bei einigen Nanoampere oder weniger liegt. Oberhalb der Vorwärtsspannung wird der Strom schnell größer und erreicht mehrere Ampere oder sogar mehrere zig Ampere. Für ein SMU sind Strommessungen in diesem Bereich kein Problem. Zum Beispiel ermöglicht das Modell 2651A Messungen bis 50 A (oder 100 A, wenn zwei Geräte parallel geschaltet sind) und hinab bis auf 1 pA, was 14 Dekaden entspricht. Im Gegensatz dazu deckt die Hochstrom-Stromversorgung eines Kennlinienschreibers bei der Strommessung nur etwa vier Dekaden ab und verfügt über eine deutlich geringere Auflösung.

Der Sperr- oder Ausschalt-Zustand-Test wird normalerweise mit einer Hochspannungsversorgung ausgeführt. Im Sperrbereich der Diode sind die Spannungen kleiner als die Durchbruchspannung, sodass sehr kleine Ströme fließen. Bei und über der Durchbruchspannung nehmen die Ströme rasch um mehrere Größenordnungen zu. Bei aktuellen Bauteilen liegen die Leckströme meist bei einigen Picoampere, während der allgemeine Durchbruchstrom 250 µA beträgt. Eine genaue Charakterisierung erfordert einen ausreichenden Dynamikbereich. Das Instrument muss also die äußerst kleinen Ströme vor dem Durchbruch aber auch die größeren Ströme nach beim Durchbruch messen können. Das Modell 2657A kann Ströme von 1 fA bis 120 mA messen, was 14 Dekaden entspricht. Eine Messung der Leckströme ist also problemlos möglich. Im Gegensatz dazu bietet der Kennlinienschreiber eine deutlich geringere Auflösung. Durch diese eingeschränkte Strommessmöglichkeit ist der Kennlinienschreiber nur zur Ermittlung der Durchbruchspannung geeignet aber kann den geringen Leckstrom moderner Bauteile im Picoampere-Bereich gar nicht messen.

SMUs und Flexibilität

SMUs bieten eine hohe Flexibilität und ermöglichen dadurch die Durchführung von Tests, die mit Kennlinienschreibern nur schwierig oder vielleicht gar nicht möglich sind:

  • Gate-Leckstrom-Messungen sind schwierig mit einem Kennlinienschreiber auszuführen, mit einer SMU dagegen sehr einfach. Die Messung des Gate-Leckstroms erfordert die Einspeisung einer Spannung am Gate, während der Drain- und Source-Pin auf Masse liegen, gleichzeitig wird der in den Gate-Pin fließende Strom gemessen. Die Stufen-Stromversorgung des Kennlinienschreibers (an die der Gate-Pin normalerweise angeschlossen ist) unterstützt keine Messungen, also müssen die Verbindungen zum Bauteil getauscht werden. Somit wird der Gate-Pin an den Kollektor/Drain-Anschluss des Kennlinienschreibers angeschlossen und die Drain- und Source-Pins an Masse. Dies funktioniert jedoch nicht besonders gut, weil am Gate-Pin sehr kleine Ströme zu messen sind. Die Einstellung des niedrigsten Strombereichs beim Kennlinienschreiber erfordert die Verwendung der Hochspannungsversorgung, die höchste Auflösung der Hochspannungsversorgung liegt aber bei 50 V/div. Da die meisten Gate-Leckströme bei 20 V oder weniger gemessen werden, ist dies nicht sehr praktisch. Eine Einspeisung von nur 20 V oder weniger ist problemlos mit der Hochstrom-Stromversorgung möglich, hier hat aber der niedrigste Strommessbereich eine Auflösung von 500 mA/Division. Dies ist für die Messung eines Leckstroms viel zu hoch. Bei einer Bauteilcharakterisierung mit einer SMU wird der Gate-Pin mit der SMU verbunden, sodass diese Messung problemlos möglich ist. Mit einer für kleine Ströme optimierten SMU lässt sich die Gate-Spannung genau einspeisen und der Leckstrom mit einer minimalen Auflösung von 100 aA (Attoampere, 10-18 A) messen.
  • Bei der Erstellung eines Gummel-Diagramms bietet eine SMU ebenfalls klare Vorteile gegenüber konventionellen Kennlinienschreibern. Dieser Test wird bei Bipolar-Transistoren (BJT) ausgeführt, wobei die Spannung hochgefahren und gleichzeitig der Strom an der Basis und am Kollektor gemessen wird. Dieser Test kann nicht mithilfe eines Kennlinienschreibers ausgeführt werden, ist aber dank der flexiblen Konfiguration einer SMUs eine triviale Aufgabe.

SMUs und PCTs

Obwohl SMUs sehr leistungsfähig sind und viele Vorteile gegenüber konventionellen Kennlinienschreibern bieten, stellen sie keine Komplettlösung für den Test von Leistungshalbleitern dar. Immer häufiger kommen parametrische Kennlinienschreiber (PCT, Parametric Curve Tracer) zum Einsatz. Dies ist ein neues Konzept, das die Einfachheit eines Kennlinienschreibers mit der hohen Genauigkeit eines Parameter-Analysators kombiniert. Ein PCT enthält SMU-Instrumente, Kabel, einen Testadapter, Software und Testbibliotheken und kann Messungen bis 3000 V und 100 A durchführen. Bei neuen Testanforderungen lässt sich ein PCT einfach im Feld aufrüsten, sodass eine skalierbare und rekonfigurierbare Lösung zur Verfügung steht.

Parametrische Kennlinienschreiber bieten zwei Betriebsmodi: Kennlinien-Testmodus und Parameter-Testmodus. Der Kennlinien-Testmodus ähnelt hinsichtlich der Bedienung und dem Display einem konventionellen Kennlinienschreiber. Das System ermöglicht eine rasche Generierung von Bauteilcharakteristiken und einen interaktiven Betrieb auf der Basis der grafisch dargestellten Ergebnisse. Viele Bauteiltypen und Tests sind bereits voreingestellt, was die Testkonfiguration beschleunigt und vereinfacht. Ein Bildschirm-Schieberegler erlaubt eine Echtzeit-Steuerung und funktioniert wie der Drehknopf eines konventionellen Kennlinienschreibers. Der Kennlinien-Testmodus ist sehr praktisch für einen Schnelltest, ob ein Bauteil gut oder fehlerhaft ist oder um die Grenzwerte zu ermitteln. Dieser Modus wird oft im Zuge der Bauteilentwicklung oder Fehleranalyse verwendet.

Der Parameter-Testmodus bietet Zugriff auf die erweiterten Möglichkeiten der SMUs im PCT, sodass der Anwender die Ausführung der Tests genau spezifizieren kann. Die enthaltenen Testbibliotheken bieten eine Unterstützung für alle gängigen Bauteil- und Testtypen. Zudem unterstützt eine Vektor-Mathematik-Funktion  den Anwender bei einer genauen Parameter-Extraktion. Nach der Konfiguration können die Tests autonom ohne Benutzereingriff ausgeführt werden. Dieser Modus wird oft bei der Bauteilqualifizierung, Prozessüberwachung und der Datenblatt-Erstellung verwendet.