Source Measure Unit Hohe Ströme messen und einspeisen

SMUs (Source Measure Unit) ermöglichen hoch integrierte Test- und Messsysteme für elektronische Bauteile. In unserem Beitrag zeigen wir Ihnen Verfahren, die nützliche und kostengünstige Alternativen zu Quellen und Messinstrumenten in Form von Einzelgeräten sind.

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Testanwendungen zur Charakterisierung von Solarzellen, Leistungsmanagement-Bauteilen, HB-LEDs und HF-Leistungstransistoren, sind Beispiele, wo sehr hohe Ströme auftreten. Diese können bei >40 A liegen, wobei Power-MOSFETs oder IGBTs sogar Ströme von mehr als 100 A erfordern. Allerdings ist der maximale Gleichstrom, den eine einzelne Stromversorgung ausgegeben kann, meist nicht ausreichend.

Der spezifizierte Ausgangsstrom ist normalerweise abhängig vom Design der Stromversorgung, dem sicheren Betriebsbereich der im Instrument verwendeten Bauelemente oder dem Abstand der Leiterbahnen auf der internen Leiterplatte. Noch höhere Ströme lassen sich mit einer SMU (Source-Measure Unit) einspeisen, die verschiedene Testmodi und mehrere Kanäle bietet.

Obwohl DC-Stromquellen normalerweise keine impulsförmigen Ausgangssignale unterstützen, können eigene Impulsschaltungen eingesetzt werden. Gepulste Quellen sind oftmals für den Test von Leistungsbauteilen, wie MOSFETs oder IGBTs, unverzichtbar, weil DC-Testströme den Widerstand des Testobjekts (DUT) aufgrund der Joule-Erwärmung verändern.

Obwohl auch Impulsgeneratoren mit hoher Ausgangsleistung erhältlich sind, verfügen diese normalerweise nicht über integrierte Messmöglichkeiten, so dass externe Amperemeter notwendig sind, die zudem mit dem gepulsten Testsignal synchronisiert werden müssen.

Der Impuls-Sweeps für eine höhere Leistung

Anstatt eines DC-Sweeps lassen sich Impuls-Sweeps einsetzen, wobei dies die Ergebnisse kaum beeinflusst. Allerdings sind Impuls-Sweeps nicht für alle Testobjekte geeignet, da beispielsweise bei Kondensatoren die Messergebnisse nicht immer mit DC-Sweeps korrelieren. Dies wird durch hohe Ausgleichsströme verursacht, die an den Flanken der Spannungsimpulse entstehen und die elektrischen Eigenschaften dieser Bauteile verändern können.

Andererseits ist ein I-U-Impulstest für andere Bauteiltypen, wie leistungsfähige HF-Leistungsverstärker oder für Low-Power-Nanometer-Bauteile unerlässlich, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Bei einem CW-Test mit hoher Leistung gibt das Halbleitermaterial die aufgenommene Leistung als Wärme wieder ab. Das Material im Bauteil erhitzt sich, die Ladungsträger haben mehr Zusammenstöße mit dem schwingenden Kristallgitter (Phononstreuung), wodurch sich der Leitungsstrom reduziert.

Auf Grund dieser Eigenerwärmungeffekte ist der gemessene Strom fälschlicherweise niedriger. Da diese Bauteile normalerweise in einem gepulsten Modus (intermittierend statt kontinuierlich) arbeiten, verdeutlichen die irrtümlicherweise zu niedrig gemessenen DC-Ströme auch nicht genau deren Verhalten. Unter diesen Umständen ist nur ein gepulster Test sinnvoll.

Beim Umstieg von einem DC-Sweep auf einen gepulsten Ablauf müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden.

• Der Impuls muss ausreichend lang sein, um dem Bauteil, der Verkabelung und den anderen Komponenten genug Zeit für Einschwingvorgänge zu geben, so dass eine stabile, wiederholbare Messung durchführbar ist.
• Gleichzeitig darf der Impuls nicht zu lang sein, so dass die maximale Impulsbreite und das erlaubte Tastverhältnis der Testinstrumente nicht überschritten werden. Zu lange Impulse können außerdem die gleichen Eigenerwärmungsprobleme beim Bauteil verursachen wie DC-Sweeps.

Kombination mehrerer SMU-Kanäle ermöglicht höhere DC-Ströme

Die häufigste Methode der Kombination von SMU-Kanälen, um höhere DC-Ströme zu erreichen, ist die Parallelschaltung der Stromquellen (Bild 1). Dieser Testaufbau nutzt das bekannte elektrische Prinzip (Kirchhoffsche Stromregel), dass sich die Ströme von zwei parallel am gleichen Schaltungsknoten angeschlossenen Stromquellen addieren. Beide SMUs speisen einen Strom ein und messen die Spannung. Die LO-Anschlussklemmen FORCE und SENSE beider SMUs werden dabei mit Erde verbunden.

Tabelle 1 bietet eine Übersicht der Merkmale dieser Konfiguration. Die Ausgangsströme der SMU1 und SMU2 sollten auf die gleiche Polarität eingestellt werden, um einen maximalen Ausgangsstrom zu erhalten. Falls möglich sollte eine SMU als feste Quelle konfiguriert sein und die andere SMU den Sweep ausführen. Dies ist besser, als wenn beide Geräte gleichzeitig im Sweep-Modus arbeiten.

Wenn beide SMUs im Sweep-Modus arbeiten, ändern sich deren Ausgangswiderstände kontinuierlich, da zum Beispiel die Bereichsumschaltung stetig umschaltet. Die Ausgangsimpedanz des Testobjekts kann sich ebenfalls merklich ändern, beispielsweise von einen hochohmigen in einen niederohmigen Zustand. Wenn sich so viele Impedanzelemente in der Schaltung ändern, kann dies die Einschwingzeit der Schaltung erhöhen.

Obwohl dies ein vorübergehender Effekt ist, der sich verflüchtigt, ermöglicht normalerweise eine feste Einspeisung mit einer SMU und der Sweep-Modus bei der anderen SMU zu stabileren Messungen mit kürzerer Einschwingzeit, was zudem einen höheren Testdurchsatz ergibt.

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