Ströme und Spannungen messen Das Charakterisieren von Leistungshalbleitern wird anspruchsvoller

Autor / Redakteur: Norbert Bauer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für den Test und die Charakterisierung von Bauelementen kommen neben klassischen Messgeräten noch Nischenprodukte hinzu. Wir zeigen, worauf Sie künftig achtgeben sollten.

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Optische Methode: Mit der Thermoreflectance Imaging lassen sich Bauteile auf Schwachstellen untersuchen.
Optische Methode: Mit der Thermoreflectance Imaging lassen sich Bauteile auf Schwachstellen untersuchen.
(Bild: LX Instruments)

Die Anforderungen an die Präzision, aber auch an die Flexibilität von Messinstrumenten und Testsetups steigen parallel mit der kontinuierlich wachsenden Zahl an verwendeten Halbleiterstrukturen und -materialien. Neben traditioneller Kurvenaufzeichnung sind Geräte für die Analyse von Stromversorgungen aus dem Messlabor nicht mehr wegzudenken. Sie sind es, die die Spielräume gegenüber der traditionellen Messtechnik erweitern und kombinieren einfaches Bedienerkonzept mit Messpräzision.

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Für Spezialanwendungen kommen Nischenprodukte wie ein „UHV Bias Tee“ hinzu, um bis 10 kV zu charakterisieren oder Erweiterungen, um die Arbeitsfläche für sehr große Prüflinge zu vergrößern. Die in den letzten fünf Jahren in Deutschland eingeleitete Energiewende hat zu einem gewaltigen Innovationsschub bei Alltagsprodukten geführt. Dank der Rahmenbedingungen lassen sich bestimmte Produkte zu (fast) alltagstauglichen Preisen anbieten: LED-Lampen, Elektrofahrrad oder Solarleuchten. Gleichzeitig soll die Stromerzeugung von fossilen zu regenerativen Energieträgern bewegt werden. Allerdings ist das nicht immer und überall gleichmäßig möglich. Daher kommt es zu einem Umbaubedarf der Energiedistribution.

Daher steigt der Bedarf und die Vielfalt moderner Halbleitertransistoren. In erster Linie sind hier MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder alternativ auch IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) zu nennen. Silizium ist nach wie vor das meist verbreitete Ausgangsmaterial. Für spezielle Anwendungen kommen auch Substanzen zum Einsatz, die vor kurzem noch als exotisch galten: Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC – Wide Bandgap Materialien). Halbleiter-Hersteller und die -Anwender sind großem Druck ausgesetzt. Die benötigte Entwicklungsgeschwindigkeit von neuen Materialien und Strukturen mit spezifischen Eigenschaften steigt.

Charakteristika von Strom und Spannung ermitteln

Anwender müssen Schaltungen mit mehr Funktionen bei gleichzeitig sinkendem Strom- und Platzverbrauch zu immer geringeren Kosten entwickeln. Das lässt sich nicht durch Simulation allein realisieren. Dazu wird spezielle Messtechnik benötigt, die über traditionelle Instrumentierung wie DMM, Oszilloskop, Netzteil oder auch der erwähnten Kurvenaufzeichnung hinausgeht. Benötigt wird ein Werkzeug zum Charakterisieren, das alle Standard-Charakteristika von Strom und Spannung vermessen kann:

  • Hochpräzise Leckstrom-Messung,
  • Durchbruchsspannungen bis 10 kV,
  • Threshold-Spannung,
  • Ausgangskennlinienfeld und
  • direkte Messung der Transferkennlinie.

Zur messtechnischen Pflicht kommt die Kür in Form einer Messung der Abhängigkeit der Bauteilkapazitäten über der Spannung. Bei der DC-Vorspannung können das mehrere kV sein. Wichtige Erkenntnisse zum Schaltverhalten liefert die Analyse der Gate-Charge-Kurve. Hier wird der zeitliche Verlauf von Gate-Strom und Gate-Spannung bei konstantem Drain-Strom gemessen und in ein Diagramm umgesetzt, das die Abhängigkeit der Gate-Ladung über der Gate-Spannung darstellt. Mit präzise gemessenen Kapazitäten und Werten aus dem Ausgangskennlinienfeld lassen sich Schaltzeiten sowie Verluste rechnerisch bestimmen.

Entwickler von Galliumnitrit- (GaN-) Bauelementen interessieren sich noch für das Current-Collapse-Phänomen: bei GaN-Transistoren ist der Drain-Strom bei höheren Spannungen geringer als bei kleineren. Schuld sind sogenannte „Traps“ mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, die dafür sorgen, dass der Wert von RDS(on) (Einschaltwiderstand) unmittelbar nach dem Umschalten größer ist und erst zeitlich verzögert kleiner wird. Das führt zu bauartbedingten Verlusten.

Man ist daran interessiert, diesen Effekt zu kontrollieren und so die sonstigen Vorteile des Materials voll nutzen zu können. Der Effekt lässt sich mit Hilfe eines Power-Device-Analysators einfach charakterisieren, bei dem Quellen dynamisch vom Bauteilestress in die Messung der Abhängigkeit Vd/Id umgeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit ist ein Pulsed-IV-System, bei der das Bauelement mit extrem kurzen Pulsen angeregt wird.

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