目前，功率半導(dǎo)體受到越來(lái)越多的關(guān)注。這是因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)CO2減排及環(huán)保對(duì)策時(shí)，功率半導(dǎo)體起到的作用極大。比如在日本國(guó)內(nèi)，“變頻器家電（空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱）”已變得相當(dāng)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(guān)鍵詞，面向海外市場(chǎng)配備變頻器的比率極有望提高，功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模也將得到大幅增加。

然而，迄今的功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)技術(shù)很難說(shuō)已達(dá)到了充分的水平。以前一提到功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)，往往想到的是對(duì)電流和電壓的關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)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(wú)法高精度檢測(cè)特性的絕對(duì)值。原來(lái)在評(píng)測(cè)功率半導(dǎo)體時(shí)不需要太高的檢測(cè)精度，而今后估計(jì)電力效率將成為家電產(chǎn)品及混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)軸心。這樣，要想對(duì)變頻器等電源電路進(jìn)行最佳控制，就必須以高精度對(duì)功率半導(dǎo)體的特性進(jìn)行評(píng)測(cè)。

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

為此，安捷倫科技（AgilentTechnologies）開(kāi)發(fā)了電流檢測(cè)分辨率為0.1pA、電壓檢測(cè)分辨率為100μV的高精度功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)裝置“Power DeviceAnalyzer/CurveTracer”，并已從2009年下半年開(kāi)始銷(xiāo)售。型號(hào)為“B1505A”(圖1）。支持的電壓高達(dá)3000V，支持的電流高達(dá)40A。而以往多在1000V/10A左右。而且，該裝置還可檢測(cè)靜電容量。日前，筆者采訪了負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)該評(píng)測(cè)裝置的技術(shù)人員巖崎裕行、柿谷壽生、永井好，請(qǐng)他們介紹了開(kāi)發(fā)契機(jī)、可高精度檢測(cè)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(guó)安捷倫科技的日本法人負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)？

巖崎：安捷倫日本法人有很多部門(mén)都在開(kāi)發(fā)計(jì)測(cè)儀器及測(cè)試裝置。名為HSTD（Hachioji Semiconductor TestDivision）的部門(mén)就是其中之一。該部門(mén)從20世紀(jì)80年代上半期起就一直在開(kāi)發(fā)對(duì)微弱信號(hào)半導(dǎo)體器件進(jìn)行檢測(cè)的曲線描繪器?，F(xiàn)在已推出很多機(jī)型。簡(jiǎn)單說(shuō)已經(jīng)向市場(chǎng)投放了6個(gè)系列，最新的系列是2005年開(kāi)始銷(xiāo)售的“B1500A”。

事實(shí)上，HSTD以前還曾推出過(guò)面向功率半導(dǎo)體的模塊分析儀。當(dāng)時(shí)是在1985年前后。推出的是連接到用于檢測(cè)微弱信號(hào)的參數(shù)分析儀上使用的機(jī)型。但市場(chǎng)并未像想象的那樣擴(kuò)大。因此在2000年停止了銷(xiāo)售。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手撤出市場(chǎng)

為何又開(kāi)始致力于功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)？

巖崎：從2000年起，我個(gè)人隱約感到，“今后環(huán)境保護(hù)及能源枯竭成為大問(wèn)題的話，就可能需要高效使用能源的技術(shù)。這樣的話，功率半導(dǎo)體的需求就會(huì)擴(kuò)大”。但當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)并未出現(xiàn)擴(kuò)大跡象。因此一直沒(méi)有找到將上述想法付諸于開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)。

而之后形勢(shì)逐漸發(fā)生了變化。到了2005年前后，環(huán)保及能源等關(guān)鍵詞開(kāi)始慢慢引起關(guān)注。于是我們對(duì)功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)裝置市場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了處于事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)地位的機(jī)型。這就是美國(guó)泰克（Tektronix）的曲線描繪器“370B/371B”。雖然該機(jī)型比較老，但通過(guò)反復(fù)小幅改進(jìn)，長(zhǎng)期保持著事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的地位。

然而這時(shí)卻突然聽(tīng)到了一個(gè)令人意外的消息：“泰克將于2006年停止370B/371B的業(yè)務(wù)”。泰克停止業(yè)務(wù)的原因不得而知。但對(duì)我們卻是千載難逢的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，公司內(nèi)部也的確存在“連作為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型都退出市場(chǎng)了，而安捷倫為何反要在這時(shí)涉足”的質(zhì)疑。但我們最終還是說(shuō)服了這些人，展開(kāi)了開(kāi)發(fā)。

在著手開(kāi)發(fā)之初，對(duì)性能及功能提出了什么目標(biāo)？

巖崎：提出了三個(gè)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。即“穩(wěn)定性”、“準(zhǔn)確性”及“易用性”。

柿谷：從目前的曲線描繪器來(lái)看，很難說(shuō)在檢測(cè)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性上已經(jīng)擁有了足夠的性能。曲線描繪器以前在檢測(cè)誤差上根本就沒(méi)有規(guī)定。

這里我想以功率MOSFET的導(dǎo)通電阻檢測(cè)來(lái)說(shuō)一下。最近，功率MOSFET的導(dǎo)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(duì)這些元件進(jìn)行檢測(cè)的話，誤差有數(shù)十mΩ之多。而且，反復(fù)進(jìn)行多次檢測(cè)時(shí)，在未改變?cè)O(shè)定的情況下，檢測(cè)結(jié)果卻存在2～3倍的偏差。也就是說(shuō)，檢測(cè)的再現(xiàn)性極差。這樣的話，就無(wú)法掌握導(dǎo)通電阻的真實(shí)數(shù)值。

因此，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)B1505A時(shí)，就像普通計(jì)測(cè)儀器一樣，有了明確的誤差標(biāo)準(zhǔn)。誤差為1/10左右，再現(xiàn)性誤差為1/1000左右。由此實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。

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(cè)量?jī)x器嗎？也許有些人會(huì)懷有這樣的疑問(wèn)。不過(guò)，我堅(jiān)信“使其成為必需品的時(shí)期一定會(huì)到來(lái)”。

這一判斷源于我們?cè)谖⑷跣盘?hào)半導(dǎo)體用參數(shù)分析儀領(lǐng)域的經(jīng)歷。在微弱信號(hào)用途方面，也曾有過(guò)不要求高檢測(cè)精度的時(shí)期。其原因是半導(dǎo)體器件用戶、即電子設(shè)備廠商過(guò)去還有較大的設(shè)計(jì)余量。但是，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步以及電子設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)的加劇，設(shè)計(jì)余量在逐漸變小，從而對(duì)計(jì)測(cè)儀器提出了高精度要求。

同樣的情況也出現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。事實(shí)上，相關(guān)跡象已開(kāi)始顯現(xiàn)。比如，變頻器通常以電壓為2級(jí)及3級(jí)的PWM信號(hào)進(jìn)行控制，但目前有很多研究都在開(kāi)發(fā)通過(guò)大量增加電壓級(jí)數(shù)、進(jìn)行縝細(xì)控制來(lái)提高效率的技術(shù)。要對(duì)這種新型變頻器使用的功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)疑是有高精度要求的。

運(yùn)用電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

高“穩(wěn)定性”及“準(zhǔn)確性”得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要點(diǎn)都有哪些？

柿谷：B1505A的檢測(cè)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(lái)調(diào)整外加電壓，因此存在電壓下降，無(wú)法將所希望的電壓施加至被檢測(cè)物的課題。而B(niǎo)1505A則可解決這一問(wèn)題。其關(guān)鍵在于“SMU（Source MonitorUnit）”。該器件具備信號(hào)源和計(jì)測(cè)器兩種作用。而且，從信號(hào)源來(lái)看，即可用作電流源，也可用作電壓源。技術(shù)上的要點(diǎn)在于電路技術(shù)。通過(guò)對(duì)反饋進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行了可實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)的設(shè)計(jì)，比如用作電壓源時(shí)的輸出電阻為零（0），用作電流源時(shí)的輸出電阻為無(wú)限大（∞）。也就是說(shuō)，可以向被檢測(cè)物施加所希望的電流及電壓。由此實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。 [!--empirenews.page--]

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

在“易用性”方面采用了哪些手段？

永井：為了使用戶能夠簡(jiǎn)單地操作B1505A，準(zhǔn)備了大約300個(gè)應(yīng)用程序庫(kù)?？蓪?duì)功率半導(dǎo)體器件的各種檢測(cè)提供測(cè)試設(shè)定上的支援。

比如，在檢測(cè)功率半導(dǎo)體器件的某項(xiàng)特性時(shí)，如果是“選擇最佳檢測(cè)模塊，設(shè)定電壓和電流，開(kāi)始檢測(cè)”之類(lèi)的方法，用戶就必須通過(guò)學(xué)習(xí)掌握計(jì)測(cè)儀器的諸多事項(xiàng)。這樣就會(huì)帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。因此，在選擇檢測(cè)項(xiàng)目時(shí)，為用戶準(zhǔn)備了對(duì)檢測(cè)模塊的選擇及連接，以及檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行支援的機(jī)制。這就是應(yīng)用程序庫(kù)。

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

開(kāi)發(fā)難度成平方關(guān)系增加

開(kāi)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(shuō)“電流、電壓增加一倍，設(shè)計(jì)難度就會(huì)成平方關(guān)系增加”，情況的確如此。雖然我們有過(guò)最大達(dá)到1000V/10A的設(shè)計(jì)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(dāng)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(méi)有支持3000V絕緣耐壓的部件。盡管半導(dǎo)體、無(wú)源部件、連接器及電纜等有最大支持1000V的產(chǎn)品，但幾乎沒(méi)有能夠在更高電壓下提供保證的產(chǎn)品。所以，此次通過(guò)在使用這些部件的同時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行了改良，并開(kāi)發(fā)了新的部件，確保了3000V的絕緣耐壓。

另外，由于是針對(duì)高電壓/大電流的評(píng)測(cè)裝置，因此還在確保用戶安全上費(fèi)了很大心思。比如，當(dāng)打開(kāi)放置被檢測(cè)物的箱子（夾具）時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止供電，以防止用戶觸電。

巖崎：保護(hù)電路的設(shè)計(jì)也相當(dāng)辛苦。當(dāng)裝置中的部分半導(dǎo)體器件發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)損壞整個(gè)裝置。為了避免這種情況，必須要配備保護(hù)電路。

而保護(hù)電路對(duì)追求高精度檢測(cè)的計(jì)測(cè)儀器來(lái)說(shuō)則是個(gè)“干擾”。因?yàn)樗怯呻娮?、電容器及電感器組成的。加入保護(hù)電路的話，就很難以pA級(jí)別的高精度來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。個(gè)人感覺(jué)是最多只能實(shí)現(xiàn)μA級(jí)精度的檢測(cè)。雖然細(xì)節(jié)不便公布，但此次通過(guò)運(yùn)用電路技術(shù)，在確保安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高檢測(cè)精度。對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的保護(hù)電路，很多用戶都贊揚(yáng)說(shuō)“非常棒”。

通過(guò)高耐壓/大電流計(jì)測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)，是否還獲得了其他經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)？

柿谷：在超過(guò)1500V時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生與絕緣擊穿相關(guān)的有趣現(xiàn)象。當(dāng)然，原來(lái)也可施加1500V電壓，但過(guò)去沒(méi)有施加準(zhǔn)確電壓，對(duì)發(fā)生的現(xiàn)象也沒(méi)有高精度檢測(cè)的手段。而使用B1505A即可實(shí)現(xiàn)。雖然B1505A是面向功率半導(dǎo)體器件的檢測(cè)而開(kāi)發(fā)的，但對(duì)開(kāi)發(fā)高壓用途材料的人員來(lái)說(shuō)也極為有效。


圖1：開(kāi)發(fā)的功率半導(dǎo)體評(píng)測(cè)裝置。將被檢測(cè)物裝到配有液晶顯示器的裝置機(jī)身上的夾具（箱子）中進(jìn)行檢測(cè)。(點(diǎn)擊放大)


圖2：檢測(cè)概念和SMU。通過(guò)使用名為SMU的信號(hào)源兼檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)。SMU通過(guò)使用反饋技術(shù)，在用作電壓源時(shí)輸出電阻為零，而在用作電流源時(shí)輸出電阻就會(huì)變得無(wú)限大。(點(diǎn)擊放大)


圖3：曲線描繪器功能。使用曲線描繪器功能進(jìn)行檢測(cè)后的結(jié)果。(點(diǎn)擊放大)