本文主要討論了半導體分立器件參數的脈沖測試技術，在這里我們能了解 脈沖測試的必要性是什么，它的相關標準又是什么，實現脈沖測試的方法又是什么。

　　一、脈沖測試的必要性

　　半導體分立器件通常包括二極管、三極管、MOS 埸效應管、結型埸效應管、可控硅、光電耦合器等各種器件。在對這些器件進行參數測試時，需要首先使被測試器件滿足參數測試規定的測試條件（即進入規定的工作點），同時也要滿足規定的測試環境溫度，這樣所測的數據才有實際的意義。因為所測試的參數既是測試條件的函數，同時也是環境溫度的函數。例如三極管的放大倍數 HFE 既是測試條件 IC 和 VCE 的函數，同時也對環境溫度非常敏感。典型 HFE-IC 曲線見圖1，典型HFE-溫度曲線見圖2。

　　但是除了測試條件和環境溫度會影響參數的測試外，有一點容易被人們忽視的是被測器件在測試條件下消耗的功率會對器件的芯片造成附加的溫升。附加溫升的大小取決于被測器件在規定測試條件下的耗散功率、該功率維持的時間 （即測試時間） 及被測器件的熱阻等幾方面因素。耗散功率越大、測試時間越長、器件的熱阻越大，所造成的芯片附加溫升越大。這一點之所以容易被人們忽視是因為們接觸的是被測器件的外殼，而很難知道管殼內的芯片到底有多高的溫度，這只有通過對器件熱阻的測試和研究，才能知道器件芯片的溫升曲線是什么樣。典型芯片溫升曲線見圖3。

　　由于芯片溫升曲線的起始段較為陡直，升溫速率較快，其附加溫升造成的測試數據誤差常常比人們想象的嚴重得多，因為在很多情況下芯片的附加溫升不是幾度，而是十幾度甚至幾十度。這時測試環境溫度 （尤其是低溫測試） 失去了實際的意義。

　　為了減小附加溫升的影響，唯一辦法是縮短測試時間。因為參數的測試條件是標準規定的，無法通過改變測試條件來降低器件的功耗，器件的熱阻也是客觀存在的，只有將測試時間縮短到使芯片附加溫升可以忽略不計，這樣被測器件的芯片溫度才接近規定的測試環境溫度。

　　二、有關標準對脈沖測試的要求

　　由于器件芯片在參數測試時的附加溫升是耗散功率、器件熱阻和測試時間的復雜函數，很難用一個簡單公式來描述在不同的耗散功率、器件熱阻和預期達到的芯片附加溫升的情況下，采用多長的測試時間才合理。為了統一測試要求，有關標準規定了脈沖測試的要求和推薦的條件。

　　1. 美軍標準 MIL-STD-750C 半導體器件試驗方法 4.3.2.1 規定 ：

　　當在脈沖條件下測量靜態及動態參數時，為了避免在測量時由于器件發熱引起測量誤差，在詳細規范中應規定下列條款 ：

　　a. 在測試規定中注明“脈沖測試”。

　　b. 除非另有規定，脈沖時間 （tp） 為 250-350 微秒，占空比最大為 2%。

　　2. 國軍標 GJB128-86 半導體分立器件試驗方法 3.3.2.1 規定 ：

　　為了避免測量時器件發熱引起測試誤差，要在“脈沖”條件下測試靜態和動態參數時，應在詳細規范中注明 ：

　　a. 測試中規定應注明“脈沖測試”。

　　b. 除非另有規定，脈沖寬度應為 250-350μS，占空比為 1-2%。

　　3. 國標 GB/T 4587-94 （等效 IEC 747-7-1988） 在脈沖法測試的規定條件中指出：

　　脈沖時間和占空比 （tp，δ）， 優先選取 ： tp = 300μS， δ≤2%。

　　4. 國標 GB/T 6218-1996 （等效 IEC 747-7-3:1991） 在對脈沖法測試所作的注釋中規定 ：

　　如果采用脈沖法 ：

　　脈沖信號源的脈沖持續時間和占空比 （tp，δ）

　　優選 ： tp = 300μS，δ≤2%。

　　5. 在晶體管國軍標和行軍標詳細規范 （或空白規范） 中一般對集電極-發射極飽和壓降 VCE sat、基極-發射極飽和壓降 VBE sat 和正向電流傳輸比 HFE 規定采用脈沖法。并在脈沖測試的條件的條款中明確規定 ：

　　脈沖測試條件應按 GJB 128 的 3.3.2.1 的規定。

　　上述標準的有關規定就是通常所說的 300μS 脈沖測試，根據對各種半導體器件的熱阻的測試和研究，證明 300μS 脈沖測試的條件是經典的，它可以保證在絕大多數情況下由于測試造成的器件芯片溫升可忽略不計。

　　三、實現脈沖測試的方法

　　之所以有關標準的詳細規范 （或空白規范） 中對 VCE sat、VBE sat 和 HFE 等參數規定采用脈沖法測試，是因為對上述參數進行直流法測試時，器件會承受較大的耗散功率，進而造成器件芯片升溫，影響測試數據的真實性，測試時間過長甚至會造成器件的損傷和損壞。

　　在不同的測試系統中實現脈沖測試 （特別是 HFE 參數的測試） 采用了不同的方法，常見的有軟件閉環法 （見圖4） 和硬件閉環法 （見圖5） 兩種。

　　1. 軟件閉環法

　　軟件閉環法測試 HFE 參數的過程如下 ：

　　a. 設置集電極電壓源 VCC （可用由 D/A 控制的程控電壓源來實現），使 VCE 達到規定的電壓值。

　　b. 設置基極電流源 IB （可用 D/A 控制的程控電流源來實現），讀取集電極電流 IC 的值 （可用 A/D 來讀取）。

　　c. 判斷集電極電流 IC 的值是否符合測試條件規定的要求 （軟件進行判斷）。

　　d. 重復 b 和 c 的過程 （通常采用逐位逼近的方法），使集電極電流 IC 逼近測試條件規定的要求。

　　e. 讀取基極電流 IB 的值 （D/A 的最終設置值），并計算出 HFE 參數的值。

　　2. 硬件閉環法

　　硬件閉環法測試 HFE 參數的過程如下 ：

　　a. 設置集電極電壓源 VCC （可用由 D/A 控制的程控電壓源來實現），使 VCE 達到規定的電壓值。

　　b. 用硬件比較器比較集電極電流 IC 和測試條件規定的 IC 值 （由 D/A 設置），比較的結果控制基極電流源 IBB，進而控制集電極電流 IC 使之自動穩定到規定的 IC 值。

　　c. 讀取基極電流 IB 的值 （A/D 讀取），并計算出 HFE 參數的值。

　　3. 兩種測試方法的比較

　　根據對兩種方法測試過程的分析和比較，可以看出存在著如下幾方面的差異 ：

　　a. 軟件閉環法的控制原理實際上是對直流法人工調節過程的一種改良，從硬件的角度上來講實際上是一種開環控制。而硬件閉環法是真正采用閉環反饋和自動調節的原理。

　　b. 軟件閉環法由于每次 IB 設置都需要軟件介入判別，并需經過多次修改 IB 設置才能使 IC 接近規定的測試工作點，因此整個控制過程時間很長，不可能在 300μS 的時間內穩定測試條件并讀取數據，通常需要幾毫秒、幾十毫秒甚至更長的時間，所以不符合有關標準的規定，同時由于測試時間長導致器件發熱，影響了數據的真實性。而硬件閉環法可以在 300μS 時間內實現測試條件的穩定和數據的讀取，因而符合有關標準的規定，測試時間造成的器件溫升可以忽略不計。

　　c. 軟件閉環法由于從硬件的角度上來講實際上是一種開環控制，因此集電極電流 IC 只能接近規定值，當被測器件 HFE 數據很大時 （如達林頓管），測試條件會有較大的偏差，進而影響 HFE 數據的精度。而硬件閉環法采用硬件比較和反饋的原理，可以確保測試條件的準確性，對 HFE 有更高的測試精度。

　　d. 軟件閉環法由于實質上是開環控制，從技術上比較容易實現，相對來說不易產生寄生振蕩。而硬件閉環法通常由多級放大器與被測器件共同構成閉環反饋系統，處理得不好容易產生寄生振蕩。

　　4. 硬件閉環法的實現

　　STS 2103A 半導體分立器件測試系統脈沖法測量線路的核心部分是一個高性能的 SM 2204E 模塊 （其測試 HFE 參數的簡化原理圖見圖 6 ），該模塊用 14 塊運算放大器，構成兩個功能相同的四相限精密測量單元。每一測量單元都具有恒壓、恒流、測壓、測流的能力，并支持正、負極性的電壓和電流，以適應 NPN 和 PNP 器件的測試。高性能的運算放大器和獨特的線路設計使精密測量單元具有良好的頻率性能，使之能夠滿足 300μS 脈沖測試要求，同時還能提供出幾十安培的大電流。模塊經過精心的調試和補償，較好地解決了寄生振蕩的問題，使系統具有良好的測試適應性，同時還全線實現了開爾文四端法測試，直至被測器件引腳，保證了大電流下的參數測試精度，因而使 STS 2103A 系統體現出良好脈沖測試性能和綜合特性。

　　四、 STS 2103A 半導體分立器件測試系統簡介

　　STS 2103A 半導體分立器件測系統是北京華峰測控技術公司在消化國外系統和調研國內用戶的需求和特點的基礎上，自行設計開發的智能化兩級分布式測試系統，是 STS 2100 系列電子元器件測試系統的重要組成部分，公司擁有該產品的獨立知識產權。

　　系統主要適用于晶體管三極管 （NPN/PNP）、二極管 （整流、開關、檢波、穩壓等）、VMOS （N 溝/P 溝）、結型埸效應管、可控硅、光電耦合器及其它各類半導體分立器件。

　　系統在測試原理和方法上符合國標、國軍標和行軍標，對集電極-發射極飽和壓降 VCE sat、基極-發射極飽和壓降 VBE sat 和正向電流傳輸比 HFE 等參數采用硬件閉環的 300μS 脈沖測試 （脈沖占空比 2%），故可有效抑制測試造成的器件芯片溫升，即使在上百瓦功率下進行測試也不會造成器件發熱，從而確保測試數據的真實性和穩定性，同時也保證了被測器件的安全。

　　系統全線采用開爾文電橋四端法進行參數測試，全部測試插座采用美國 3M 公司原裝進口四端法測試插座，從而有效扣除了系統及接觸環節的接觸壓降，保證了大電流參數測試的真實性和精度。例如對于三極管飽和壓降參數的測試，對于 VMOS 器件導通電阻的測試，對于二極管 （特別是肖特基二極管） 正向壓降的測試，即便電流大到幾十安培，也具有同樣高的測試精度。

　　系統采用硬件閉環的脈沖工作方式測試 HFE 參數，但同時又具有良好的測試適應性，從低頻管到高達幾千兆的超高頻管，從幾十毫瓦的小功率器件到幾百瓦的大功率器件，系統都具有良好的測試表現。

　　系統低壓測量單元具有 0.25% 的基本測試精度，這可以保證系統在測量 HFE參數時仍具有優于 1% 的綜合精度，符合 GJB 128A-97 中對測量靜態參數的誤差《 1% 的要求。系統測量 HFE 參數的分辨力達 0.1，并具有良好的穩定性，在測試時用手插拔器件造成器件外殼的微小溫升而導致器件 HFE 參數零點幾倍的微小變化，系統都能靈敏和穩定地顯示出來。

　　系統在顯示測試數據的同時，還具有同屏顯示特性曲線的功能，這樣在屏幕上不僅可讀取精確的測試數據，同時可直觀看到器件的擊穿特性曲線和輸出特性曲線，這對于關心擊穿特性曲線形狀和輸出特性曲線均勻性的用戶尤為方便。

　　系統選用優質元器件和材料，采用數字模擬高壓電源技術、測流地線技術、等電位環技術、靜電屏蔽技術，軟件處理技術，采用懸空架線和三防處理等工藝，使系統具有良好的微弱信號檢測能力，即便在潮濕環境下仍可對納安量級電流進行準確測試。

　　STS 2103A 半導體分立器件測試系統具有優良的綜合性能，是保證半導體分立器件質量的理想檢測手段。