1.大功率半导体晶圆测量表征的挑战

　　提到半导体晶圆直流测量表征时，大部分工程师第一感觉相对较简单，因为不需要理解与掌握射频测量时一大堆复杂概念，诸如校准、散射参数等概念。对普通二极管、双极型晶体管以及绝缘栅场效应管等的半导体晶圆I-V、C-V测量确实不复杂，除了探针台系统外，可能需要一台普通的源表和一台LCR仪表基本可以实现。但如果要测试是大功率晶闸管绝缘栅双极型晶体管IGBT、MOSFET这些类型的半导体晶圆时，问题就变得复杂许多，原因是，举个简单的例子，这类大功率器件的漏源（集电-发射）电压高达几百V，甚至几千V。漏源（集电-发射）电流高达几十A，甚至几百A。当然具体能传输/关断多大的功率与实际应用相关，例如我国高铁上的牵引变流器的电压为3.3KV或者6.5KV，据说已经开发出一款200A带载能力的IGBT。实际上大功率IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是电力控制和电力转换的核心器件，是由BJT（双极型晶体管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗，低导通压降，高速开关特性和低导通状态损耗等特点，非常适合高电压和高电流的光伏逆变器、储能装置和新能源汽车等电力电子应用。目前发达国家对IGBT的开发、生产制造相对成熟。我国近些年来也大力投入研发，诸如中车集团等，国内汽车制造公司都有自己专门的IGBT事业部，发展IGBT也是国家的战略需求之一。

　　写到这里，试想要对大功率半导体晶圆上Die进行测量时，遇到的问题就很多。

　　其一、普通的源表或者源测量单元SMU是满足不了要求了，因为普通的SMU提供不了这么高的电压或者电流。需要半导体功率参数分析仪。其二、对探针台系统也提出了很多挑战，例如，卡盘表面要与晶圆充分接触，吸附牢靠，保障接触电阻十分小，否则会电离空气发生放电，并释放高温弧光，损坏晶圆；例如，探针、电缆等要求较高，满足一定的过压、过电流要求。其三，安全问题，这里的安全包括对人身的安全和对测量设备的安全保护，例如IGBT的内部发生击穿，导致的大电压或者大电流传入其他端口上，进而导致的仪表安全、人身安全事故等，因此需要引入相关的保护、隔离措施防止潜在的风险。其四，其实往往大功率、高压测量中也包含着微电流的测量，这一点容易被忽略掉，因为在测量功率器件的关断特性时，诸如漏源、栅源漏电、栅极开启电压等，都需要监测很小的漏电。最后，大功率器件，诸如IGBT等器件开关切换引入震荡问题等自身电路属性问题等需要解决。上述仅是笼统说了5点与普通半导体器件的测试技术的差异。大功率半导体晶圆测量表征也属于半导体测量技术的一个重要分支，需要专门讨论。

　　2.背景知识

　　进行大功率半导体晶圆测量表征前，需要搞清楚晶体管或者绝缘栅场效应管器件的基本用途、基本工作原理。另外在测量表征时，需要关注那些参数，这些参数含义是什么，以及在这些参数是在什么条件下定义的。因此有必要重新温习一下MOSFET和双极型晶体管BJT的基本原理与关键的参数。只有搞清楚这部分内容后，才会顺利导入到大功率半导体的测量中来。

　　2.1半导体基础知识

　　关于这一部分我计划写的详细点，如果对这里十分清楚的读者可以跳过。但是对于一些不熟悉或者还是想把晶体管微观层面搞清楚的读者也可以尝试读一下，尽量使用简单易懂的语言来描述。以作者的心得来看，这里的内容你每次带着思考去阅读，都会收获不少。

　　2.1.1本征半导体

　　从半导体材料硅说起，一块纯净的硅是由无数密密麻麻的硅原子按照一定的规律在空间排列分布的，这种结构称为晶格。硅属于4价元素，也就是说每个硅原子的最外层电子轨道上有4个价电子。实际上一块硅半导体中，硅原子的原子间距离十分近，A原子的4个价电子不仅受到A原子核吸引，同时也会受到将A原子包围起来的B、C、D、E原子吸引。每个原子都是如此，只要这样便会形成一个稳定的结构。这样来看，A原子周围会有4对价电子，总计8个，这样也是一个稳定的结构。一般情况下，4对共价键中的电子都是被束缚在特定的位置上，不能来回移动，因此不参与导电的。

　　当这块纯净硅受到电、热、光能的刺激时，假如温度升高，这个时候共价键内的电子也会热激发获得能量，其中获得能量多的一部分电子变得十分活跃，会挣脱共价键的束缚成为自由电子，当挣脱后共价键束缚后的电子“逃出”后，会出现一个空缺，同时这个原子核就会显正电属性，会对相邻的共价键内的电子产生吸引，导致相邻共价键内的电子也出“逃出”来填补这个空缺，依次下去，变成这样的现象：一个原子核的共价键内电子由于受到激发后，逃出了自己原有的空位后，相邻的共价键内的电子会补缺。好比一排坐在椅子上的同学，队伍中的第一个同学（价电子）被老师从座位上叫走后，其他同学（电子）依次往前挪动，这个时候你抛开同学不观察，仅仅观察座椅，就会发现第一个同学的座椅想相反的方向移动一样，你这样就看到了两种东西在流动，第一种是同学（电子），第二种是座椅（空穴）。

　　写到这里的话，好像感觉硅半导体里有定向移动的带电粒子了。是否这样子呢，再继续想想。

　　假设这样的座椅有100排，如果均是每排第一个同学（电子）都被老师叫走离开座位后，其他的同学依次向前移动补缺的话，那么确实产生了电子的定向移动，空穴的定向移动，貌似有电流了。实际上，在填补空缺座椅时，也会发生相邻排的同学跑过来也会坐这个空座椅。

　　这个时候不会很整齐地产生100排同学从西往东移动（东边是排头），100排座椅从东往西移动，由于每排里面的同学也随时瞄着自己附近的有无空座椅，如果一旦有空座椅，也马上就坐上了。在半导体领域内，一对电子和空穴的在运动过程中相撞，进而消失，释放能量。这个现象叫作复合。试想一下，实际上本征半导体受到激发后，会有一批价电子受到激发逃出（同时会产生一批空穴，相辅相成的），但是同时又伴随着大量的电子、空穴的复合，最终会达到动态平衡。根据资料显示，常温下300K时，仅有3万亿分之一的原子的价电子受到激发产生电子空穴对，因此本征半导体在常温下导电率非常弱。

　　2.1.2掺杂半导体

　　当在本征半导体中，有选择性地掺入其他元素，这个时候半导体的导电性能会发生显著地变化，这些少量的元素称为杂质。根据掺入杂质的不同，分为N型半导体和P型半导体。

　　首先说说N型半导体，在本征半导体中，掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等就可以得到N型半导体。当五价元素掺入到本质半导体中后，五价的原子会占据原来硅晶格中的原子位置，它的4个价电子和周围4个硅原子组成共价键，而多出来了一个价电子只能位于共价键之外，由于这个键外电子受杂质原子的束缚力很弱，只需要很小的激发就可脱离原子束缚，成为自由电子，因此室温下几乎全部的杂质原子都能提供一个自由电子，这些使N型半导体中的电子数目大大增加。

　　同样地，在杂质半导体中，本质激发（就是没有被五价原子占据的原子，还是硅原子）依旧进行，产生电子空穴对。但由于掺入五价的元素后电子数目大大增加，造成空穴与电子复合的机会也大大增加，从而使空穴浓度远低于本征浓度值。因为电子占多数，故称为多数载流子，简称多子。而空穴占少数，故称为少数载流子，简称少子。由于N型半导体主要依靠电子导电，因此称为电子型半导体。另外注意一点是，N型半导体中，虽然电子数目远大于空穴数目，但是五价离子的存在，是正负电荷数相等，整个半导体仍旧呈现电中性。

　　P型半导体，在本征半导体中，掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟就得到P型半导体，同样的道理，顶替了原来硅原子晶格位置的三价原子周围有3个完整的共价键。第四个共价值因缺少一个价电子而出现一个空位。正是由于整个空位的出现，使得一切都变得不那么稳定了，临近共价键内的电子只需要很小的激发能量就能被吸引过来填充这个空位了，这个时候杂质原子由于多一个价电子变成了负离子。由于临近共价键内的电子被空穴吸引填充了，那么临近共价键内又出现了一个空穴。在室温下，几乎全部的3价原子都能接受一个价电子变成负离子，因此产生了大量的空穴，所以在P型半导体中，空穴浓度大大增加了。另外本质激发依旧进行，产生电子空穴对，由于空穴浓度很大，因此自由电子被复合掉的机会大大增加，因此电子浓度远远低于空穴浓度值。所以说P型半导体中的空穴属于多子，P型半导体主要依靠空穴来导电。

　　2.1.3 PN结（二极管）

　　通过掺杂工艺，将本征硅片的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的物理层，称为PN结。PN到底有啥特点呢，接着看：由于P型半导体多子是空穴，空穴的浓度大，N型半导体的多子是电子，电子浓度大。正是由于这种浓度梯度的存在产生扩散运动，导致P型区域的空穴扩散到了N型半导体中，N型区域中的电子扩散到了P型半导体中，但是空穴和电子具有复合，中和掉。因此会形成一个N型区指向P型区的电场。这个内电场会阻止扩散运动的发生。试想一下，由于内电场的原因，扩散的空穴会被排斥来到N型半导体中来，扩散的电子同样也会被排斥来到P型半导体中来。这种扩散和漂移（受到电场驱动）达到一种平衡，形成一个空间电荷区。记住这个空间电荷区没有载流子，空间电荷区又称为耗尽区。

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　　图1空间电荷区示意图

　　2.1.4 PN结正向偏置

　　有了上述理解后，下面再看看正向PN结和反向PN结偏置时会发生什么情况。

　　当加正向偏置电压时，如果这个电压逐步的加大，会发现空间电荷区的宽度会被压缩窄，当正向电压达到一定程度时，这个空间电荷区就会消失，然后N型半导体中的电子会（受到负极的排斥）漂移到P型半导体种，并最终到达电池的正极，形成导通回路。写在这里，有些人会思考，漂移到P型半导体区域中的电子是否会和空穴（多子）发生复合从而消失了呢？

　　这样继续漂移就不是消失停止了吗？其实能想到这个问题，说明确实在认真的思考过这种现象。这种现象的本质是，漂移到P型半导体区域中的电子与空穴会发生复合，立刻又被强电场将电子从空穴中拉出来，继续会达到电池的正极来。电子不可能直接越过空穴连续地直接被电池的正极吸引出来，是一步步借助空穴跳出来的。

　　打个比方，找一个过程，好比攀岩运动，攀岩者要达到顶峰时，脚要踩到这些岩壁的石头上才能通过，再者，好比，一群人过河，必须踩着石头桩才能过去，一步一步地往前走。

　　如果把这点理解了，后面晶体管原理理解起来相对容易些。

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　　图2正向偏置PN结示意图

　　2.1.5 PN结反向偏置

　　当加反向偏置电压时，N型半导体区域接电池正极、P型半导体接电池负极。这样N型区域的电子会漂移（被电池正极吸引），同样P型半导体的空穴也会被电池的负极吸引。这样会空间电荷区的宽度会被展宽，形成更宽的耗尽区，因此无法导电。但是当电池电压达到一定程度时，会发生击穿。写在这里，一些细心的读者可能会问，为何反向电压达到一定程度会击穿呢，怎么击穿的呢？

　　情况是这样子：我们说了P型、N型半导体中的多子分别是空穴、和电子。但也不要忘记了少子的成分。P型半导体中仍旧有本征激发的电子、N型半导体中仍旧有本质激发的空穴。试想，当电场强度达到一定程度时，这样少子仍旧会发生漂移运动，且速率很快，动能较大，这样会撞击到中性原子的共价键上，会把价电子撞出来，产生电子、空穴对，新的电子、空穴对被强电场加速后，又会发生高能碰撞，这样会发生连锁反应，导致耗尽区内的载流子数目激增，从而引起发现反向电流的急剧增加，类似雪崩现象，因此也叫雪崩击穿。

　　还有一种击穿现象，叫作齐纳击穿。在重掺杂区域的PN结中，空间电荷区域十分窄，强大的电场会直接把中性原子的最外层共价键直接撕裂，拉出来，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大，这种击穿就是齐纳击穿或者也叫场击穿。

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　　图3反向偏置PN结示意图

　　2.1.6 PN结电容

　　了解了上面的知识后，对PN结电容理解就相对容易了，前面讲到了空间电荷区的概念，空间电荷区没有载流子，因此类型平行板电容器。当外加正向偏置电压增大时，空间电荷区被压缩，相当于空间电荷区域中的正负电荷数量减小，当外加正向偏置电压减小时，空间电荷区被拉宽，相当于空间电荷区域中的正负电荷数量增加。因此空间电荷区（耗尽区）的这种效应就是电容效应，一般把这部分电容称为势垒电容，是一种随着电压变化的可变电容。

　　初此之外，还有一种电容，称为扩散电容。扩散电容究竟是什么呢？简单地说，就是N型半导体的多子电子扩散到P型区域后，并不能立即被空穴复合而在边界处积累，会向P型区域纵深方向扩散边复合，经过一段距离才能复合掉。同样的问题，P型半导体的多子空穴扩散到N型区域后，也不能立即与N型区域中的电子产生复合，在边界处积累，会产生边向N型区域纵深方向扩散边复合的这么一种现象。因此也会形成与空间电荷区类似的电容效应，并且这个扩散电容与PN结电压相关的，属于非线性电容。另外仔细点会发现势垒电容和扩散电容的极性是一致的，因此实际的PN结总电容就是两者电容的并联，两者电容量的和。

　　回到PN结电容的开始，我们说这个PN结的电容有啥作用呢，主要是PN结的电容会影响到半导体器件的高频特性。用PN结原理制成的二极管、三极管等制作的限幅、整形、放大领域能满足那个带宽内应用，与PN结电容十分相关。

　　2.2双极型晶体管BJT

　　有关双极型晶体管的分析与MOSFET有些类似，在此做一下简单地介绍。双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件，由于参与导电有两种极性载流子-电子和空穴，所以称为双极性晶体管。另外它有三个电极，所以称为半导体三极管，统称为晶体管。

　　双极型三极管的平面示意图和平面管结构剖面图参考下列这张图片，其中双极型晶体管分为NPN管和PNP管两种类型。以NPN为例，主要需要了解的信息如下：

　　1.晶体管有三个电极，分为基极b，集电极c，发射极e。

　　2.有两个结，一个是发射结（由基区P和重掺杂N区构成），一个是集电结（由基区P和N区构成）

　　3.发射区属于重掺杂区。

　　4.顾名思义，发射极的含义就是电子从这里发出，发射区也是一个重掺杂区。集电区就是电子汇集，聚集到这里的意思。基极从名字上理解意思不是那么直接，属于控制端。

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　　图4双极型晶体管结构示意图

　　晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作为输入、输出端。第三个作为公共端，这个可以构成输入和输出两个回路。常见的有共发射极、共集电极和共基极三种基本接法。其中共发射极接法更普遍。

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　　图5双极型晶体管三种基本连接方法

　　双极型晶体管的工作原理概括如下：当发射结正偏、集电结反偏时，载流子运动如下：

　　1.当发射结正偏时，发射结两侧的多子扩散运动占据优势，这是由于发射区属于N+重掺杂，这时发射区的电子会越过发射结注入到基区，形成注入电流Ien，同时基区的空穴也会向发射区注入，形成空穴注入电流IEP,因为发射区相对于基区是重掺杂，基区的空穴浓度远远小于发射区的电子浓度，所以IEP<<Ien，可忽略不计。因此发射极电流Ie≈Ien，其方向与电子注入方向相反。

　　2.注入到基区的电子，一部分通过与空穴复合，然后被拉出，一部分向着基极电源的正极漂移，同时由于浓度差的关系，有一部分向集电结方向扩散。注意，由于基区薄且空穴浓度又低（相对发射区），因此通过复合、跳出，再复合，跳出到基极电源正极的电子数量很少，大部分所以被扩散到C结边沿。被输送到基极电源正极的这部分电子形成的电流构成了基极电流IB的主要部分。

　　3.由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，使扩散到C结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区。从而形成集电区的收集电流Icn，构成集电极电流Ic的主要部分。另一方面，集电区和基区的少子（分别为集电区的空穴，和基区的电子）在C结反向电压作用下，漂移到对方形成集电结反向饱和电流ICBO,并流过集电极和基极支路，构成IC，IB的另一部分电流。通过以上的分析可以看出，在晶体管中，薄的基区将发射结和集电结紧密联系在一起。它能使e结的正向电流，几乎全部地传输到反向偏置的C结回路区，这是晶体管实现放大功能的关键所在。因此晶体管本质就是用基极小电流区控制集电极大电流，实施放大。

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　　图6双极型晶体管发射结正偏，集电结反偏时的载流子运动示意图

　　2.3绝缘栅场效应管

　　金属氧化物半导体场效应管MOSFET，又称为绝缘栅型场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，其栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻十分大。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。每种沟道类型又分为增强型和耗尽型。

　　简单地理解，增强型就是栅源极VGS=0时，在漏源之间无法形成有效的导电通道；

　　耗尽型就是栅源极VGS=0时，在漏源之间已形成有效的导电通道；

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　　图7绝缘栅型场效应管结构示意图

　　因此有四种MOSFET类型的绝缘栅型场效应管，分别是增强型NMOS，耗尽型NMOS，增强型PMOS，耗尽型PMOS。依次见下列图例。

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　　图8四种类型的绝缘栅型场效应管符号图例

　　就仅以增强型NMOS为例，重点阐述一下导电沟道的形成机理。这也是能正确理解MOSFET管功能和参数的核心所在。在正常工作时，衬底必须接在电路的最低电位或者与源极相连。

　　首先先分析栅源VGS发生变化的情况：

　　1）当VGS=0V，在漏源之间是无法形成有效的导电沟道的。因为漏源之间相当两个背靠背的二极管，在漏源极加上电压VDS，无论VDS的极性如何，总有一个PN结反偏。因此无法形成有效的导电沟道。

　　2）当VGS逐步增大时，会在栅极和衬底之间形成指向衬底的电场，在栅极和衬底层之间极薄的SiO2绝缘层犹如一个平板电容器的介质。在电场的作用下，P型衬底中的少子自由电子会被吸引到衬底的上表面处，多子空穴会被排斥到P型衬底的下面。当VDS电压进一步增大时，超过某一值时(VT)，这个时候会在P型衬底的上表面自由电子数量远远大于空穴，形成一个N型区域，通常称为反型区域，这个时候会在DS之间形成漏源导电通道。

　　显然，VGS继续增大，那么漏源极之间的导电通道会变厚，因此意味这漏源导电通道之间的电阻会下降。

　　3）下面再讨论一下VDS电压对导电沟道的影响，假定VGS大于开启电压VT。

　　看看VGD端子上的电压，VGD=VGS-VDS，VGD电压是什么意思呢？是靠近漏极这个PN+结二极管的正向电压。当漏栅极电压VDS增大时，这个时候VGD会减小，当小于到一定程度时，教科书上给出的是当VGD≦VT时，说靠近漏端的栅极垂直于衬底表面的电场会减弱，说靠近漏端的导电沟道会被夹断。他把这个状态定义为预夹断状态，当器件进入这个状态后，若继续增加VDS,电流就基本恒定了。器件的这种工作状态称为饱和工作状态或者恒流工作状态。

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　　图9绝缘栅型场效应管工作时载流子运动示意图

　　就通过上面这一小段的学习，会让我们对MOSFET的理解加深了，其实MOSFET的基本原理就是如此，在这个基础上会形成很多指标参数。另外大功率MOSFET管的原理与普通的原理大致是一致的。为了对这里知识的加深理解，建议可以在网络上找一些有关MOSFET载流子运动的动画视频，便于加深理解。

　　3.半导体器件参数

　　半导体的参数的阐述本应该在第2章就应该罗列出二极管、三极管、MOSFET管、IGBT管的常见参数，并且给出每种参数的物理意义。担心章节内容过多，看起来比较杂乱。因此单独罗列成为一章节内容。如果对这些普通半导体的参数及其含义能很好地掌握，那么大功率半导体的参数就比较容易掌握了，对于如何理解大功率半导体参数以及如何测量就比较容易掌握了。

　　3.1二极管

　　3.1.1主要参数

　　流过二极管的电流随着加载二极管上的电压变化而变化的性质就是二极管的伏安特性，一般二极管的伏安特性曲线图如下。当加载到二极管两端的正向电压小于Uth时，二极管的正向电流十分微弱，几乎为零。二极管呈现十分大的电阻，Uth称为门槛电压。当正向电压大于Uth时，正向电流按指数曲线增大，二极管呈现导通状态。当二极管加上反向电压时，流过二极管的电流很小，称为反向电流。随着反向电压的绝对值持续增大，达到某个数值Ur时，流过二极管的反向电流将急剧增大，这个电压就是反向击穿电压。

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　　图10二极管的伏安曲线图

　　一般二极管的参数有下列这些：

　　1.最大整流电流IF

　　指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

　　2.反向击穿电压UBR

　　加在二极管两端的反向电压高到某一数值时，二极管的反向电流急剧增加，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了反向工作电压值UBR。

　　3.最大工作反向电压URM

　　最大工作反向电压是指二极管工作时两端所允许加的最大反向电压，为了安全起见，最大工作反向电压一般只按反向击穿电压UBR的一半取值。

　　4.反向饱和电流IR

　　反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

　　5.正向压降UF

　　在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。

　　6.动态电阻Rd

　　映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即：Rd=VF/IF.

　　7.最大浪涌电流IFSM

　　允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

　　8.最高工作频率fM

　　由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。

　　9.反向恢复时间Trr

　　当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一定的时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近反向饱和漏电IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。

　　10.最大功率P

　　二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

　　3.2晶体管BJT主要参数

　　3.2.1输入特性曲线

　　双极性晶体管的参数包括输入特性曲线和输出特性曲线，现以共发射极晶体管为例，来探讨其输入特性曲线和输出特性曲线。

　　共射极输入特性曲线是以Uce为参变量，研究iB与uBE间的关系。

　　iB=f（uBE）|uCE=const

　　1.当uCE=0V时，发射结和集电结均处于正偏，相当两个二极管并联，此时（相当于二极管）iB与uBE间的关系就是二极管的正向伏安特性曲线。

　　2.当uCE从0V时逐渐增大，这时集电结会由正偏逐渐改为截止，（集电区的多数载流子自由电子收到基区正极的吸引，逐渐减弱），本来两个结均处于正偏，但是现在一个结（集电结)会处于弱正偏，那么显然在同样uBE电压下，iB会变小。试想，如果将uBE电压也增大一些，补偿掉uCE的增大部分，那么此时iB就不会发生变化，这相当于曲线iB与uBE关系曲线的近似向右移动。一般uCE增大在1V内均是这个现象。

　　3.当uCE从1V时逐渐增大，这时集电结会处于反偏状态，因此仅发射结处于正偏，那么uCE显然在同样uBE电压下，iB会变小。但是由于集电结相对于发射结属于轻参杂，因此随着uCE增大，曲线发生右移动会减缓。

　　4.当uBE小于零时，发射结、集电结会处于反偏状态，iB属于反向漏电流，随着uBE绝对数值超过某一值时，也会发生反向击穿。

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　　图11晶体管输入曲线图

　　3.2.2输出特性曲线

　　共射极输出特性曲线是以iB为参变量，研究iC与uCE间的关系。

　　iC=f（uCE）|iB=const

　　在输出特性曲线上可以分为3个工作区，分别对应晶体管的三种工作状态，即放大、截止和饱和状态。

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　　图12晶体管输出曲线图

　　1.放大区，条件发射结正偏（iB＞0），集电结反偏（uCE≥uBE)，在放大区域基极电流iB对集电极电流iC具有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB,iC就有很大的变化ΔIc。

　　为此定义共发射极交流电流放大系数：

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　　另外uCE对iC的影响很小，在特性曲线上表现为iB一定时当uCE增大时，曲线仅略微有些上翘。原因可以用基区宽度调制效应（厄尔利Early效应）来解释。厄尔利Early效应这是由于集电极-发射极间电压增加时，集电结空间电荷区变宽，基区变窄，使载流子在基区的复合机会减少，即电流放大系数（共发射极直流电流放大系数）增大，故在基极电流不变的情况下，集电极输出电流随集电极-发射极间电压增加而略有增加，特性曲线略向上倾斜，这种现象称为基区宽度调制效应(Base-width modulation effects)，又称为厄尔利（Early）效应。因此当iB一定时，集电极电流iC具有恒流性质。因此这也是恒流源产生的主要手段之一。

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　　图13晶体管输出（放大工作区）图

　　2.饱和区，条件发射结正偏（iB＞0），集电结正偏（uCE＜uBE)或者集电结反偏电压很小。在饱和区域，集电极电流iC不再受基极电流C的控制作用。当uCE一定时，iB的增加，iC的变化很小，iC取值与iB不成比例，线性放大无法实现。因为即时iB增加，意味着重掺杂的发射区会有更多的多子漂移到基区，到达基区比较薄，复合能力有限，一大部分聚集在基区靠近集电结的区域聚集，但是由于集电结正偏，（或者处于一个很弱的反偏状态），因此抑制着此区域的聚集的多子扩散，只有少数一些多子扩散到集电区，iC电流会发生微弱变化。另外一点，当iB固定不变时，iC随uCE的增大会增大，原因是随着uCE的增大一些，集电结的正偏会逐渐减弱，意味着对聚集在基区靠近集电结的多子的扩散抑制能力变弱，有一部分会穿过集电结到基区，因此iC会增大。一般以uCE=uBE作为临界饱和线，当以uCE从0逐渐增大且等于uBE时，集电结由深度正偏慢慢到了零偏，如果uCE再增大一点，集电结处于弱反偏，随着uCE继续增大，集电结处于反偏，晶体管也过渡到了放大工作区。

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　　图14晶体管输出（饱和工作区）图

　　3.截止区，指晶体管输出特性曲线中晶体管输入电流为0所对应曲线下方的区域。条件为：发射结反偏，集电结处于反偏状态。

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　　图15晶体管输出（截止工作区）图

　　3.2.1电流放大倍数

　　共射极直流电流放大系数img19和交流电流放大系数img20，img21和img22都是放大区域的参数，其数值可以从输出特性曲线上求解出。直流放大系数img23和交流放大系数在低频时十分接近，在高频时稍有差异。

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　　3.3大功率MOSFET绝缘栅场效应管参数与测试方法

　　半导体器件的datasheet时会发现有关断状态参数和导通态参数，以及静态参数，动态参数等。功率管导通和关断是其作为开关的两个状态，因此在这两个状态会有一些相关的参数。静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，相关参数主要有：门极开启电压、门极击穿电压，集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流，寄生电容：输入电容、转移电容、输出电容，以及以上参数的相关特性曲线的测试。动态参数是指开关过程中的相关参数，这些参数会随着开关条件如电压，工作电流，驱动电压，驱动电阻等的改变而变化，相关参数有栅极电荷，导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间、开通损耗、关断损耗、反向恢复电流、反向恢复时间以及反向恢复能量等。

　　下面以某款MOSFET管为例，说明一下。

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　　3.3.1关断状态参数

　　1.BVDSS漏源极雪崩电压，测量条件：Tc=25℃（这里指的是器件的Case温度，至于Case点如何定义是另外一个问题。）VGS=0V，ID=250uA，最小250V。

　　解释如下：在VGS=0V时条件下，理论上漏源极导电沟道未形成，形成的沟道电流极小，甚至可以忽略。无论在漏源极上加载什么极性的电压，漏源极总会有一个PN结处于反偏状态的。但是当漏源极的电压持续升高时，达到临界雪崩点时，此时漏源极之间的电流会增大，当增大到Id=250uA这个值时，就认为漏源极发生极了击穿，此时对应的电压就是漏源极之间的最小击雪崩击穿电压。一般情况下对大功率MOS管而言，BVDSS漏源极雪崩电压测试属于高压、微电流测量范畴，需要根据高压、微电流特征选择SMU测量源和设计好相关的保护工作，这点后面章节专门讨论。

　　2.△BVDSS/△Tj漏源极雪崩电压温度相关系数。与BVDSS漏源极雪崩电压测量环境类似，主要区别在还需要设计一套Tc温控系统，对Tc处的温度值以某个步长进行遍历，然后形成以Tc温度和BVDSS为表座轴的一条曲线，然后对这条曲线拟合，计算斜率即可。显然也属于高压、微电流测量范畴。

　　3.IDSS漏源极之间的漏电，在不同的Tc温度下会得到不同的测量值，测量条件VGS=0V，VDS=250V。测量的漏电值。显然也属于高压、微电流测量范畴。

　　4.IGSSF栅源极之间的正向漏电，测量条件Tc=25℃，VDS=0V，VGS=30V。测量栅源正向漏电值，属于微电流测量范畴。

　　5.IGSSR漏源极之间的反向漏电，在不同的Tc温度下会得到不同的测量值，测量条件Tc=25℃，VGS=0V，VDS=-30V。测量栅源反向漏电值，属于微电流测量范畴。

　　3.3.2导通状态参数

　　1、VGS（th）栅源的阈值电压，开启电压。测试条件Tc=25℃，Id=250uA，VDS=VGS，测量要求VDS=VGS，器件处于饱和状态，这样可以排除VGS的影响。否则的话，假定VDS各个厂家规定不一致的话，那么即使同一个器件的VGS（th）的值也会有很多。关于VGS(th）的测量属于微电流测量范畴。

　　2、Rds（on）漏源电阻，测试条件Tc=25℃，Id=8A,VGS=10V，规定好栅源电压，然后调整VDS电压，直到漏源极电流Id=8A。然后计算两者比值即可，一般情况下，Rds（on）十分小，这款器件手册上仅有0.18欧姆，因此要获取这么小的电阻值，必要考虑测量系统中电缆等引入的误差，考虑使用开尔文四线方法。总结地说，这个测量属于大电流，精密电阻测量范畴。

　　3、gFS正向跨导。定义为

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　　gFS的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，曲线形状就是这样。测量条件：

　　固定VDS=50V，通过调整VGS的大小使其Id=8.0A.然后使用Id值除以VGS。理论上会得到一族曲线，可以求取平均的正向跨导。一般正向跨导的值也较大，代表一个增益。即用小的栅极电压变化，就可以得到很大的电流变化。因此在测量时，也属于大电流、精密跨导（电阻）测量范畴。

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　　图16晶体管输出（截止工作区）图

　　测试条件Tc=25℃，Id=8A,VDS=50V。规定好栅源电压，然后调整VDS电压，直到漏源极电流Id=8A。然后计算两者比值即可，一般情况下，Rds（on）十分小，这款器件手册上仅有0.18欧姆，因此要获取这么小的电阻值，必要考虑测量系统中电缆等引入的误差，考虑使用开尔文四线方法。总结地说，这个测量属于大电流，精密电阻测量。

　　3.3.3动态参数

　　在动态测量中主要包括MOS管的每两个电极之间的电容。栅源之间的电容Cgs、漏源之间的电容Cds、栅漏之间的电容Cgd。

　　MOSFET的输入电容定义为Ciss=Cgs+Cgd，也就是栅源的电容与栅漏电容的并联，以栅极为公共点。具体测量方法：将漏源电极短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容，Ciss电容影响着MOS管的开启和关断延时。

　　其中MOSFET的输出电容定义为Coss=Cgd+Cds，也就是栅漏电容与漏源电容的并联，以漏极为公共点。

　　MOSFET的反向电容定义为Crss=Cgd。

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　　图17 MOS管电容定义示意图

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　　图18大功率MOS管电气特性

　　4.总结

　　针对任何器件的测量前，必须搞清楚器件基本原理与相关参数的含义，以及器件特性。特别是大功率半导体测量中，更需要搞清楚，否则会造成巨大的损失。后续会继续推出如何在晶圆测量时，探针台的大功率探针如何与仪表进行连接进行各种参数的测量​。​