一种多模式动态导通电阻测试电路以及测试方法

本发明属于功率半导体器件测试，尤其涉及一种多模式动态导通电阻测试电路以及测试方法。

背景技术：

1、gan射频功率器件的最大输出功率已实现从百瓦级到万瓦级的跨越式提升，其工作电压范围也从28v上升至150v，这一技术突破极大地推动了其在微波探测、5g通讯、射频能源等大功率电子系统中的应用。然而，伴随器件工作电压的持续提高，器件内部沟道电场强度急剧增大，使得器件表面、algan势垒层、gan缓冲层及沟道层中的陷阱对载流子的俘获效应显著增强，从而引发器件的动态导通电阻严重退化（即电流崩塌效应），造成器件输出功率衰减、工作效率降低及可靠性恶化，严重制约了器件在高端应用领域的大规模商业化应用。

2、目前，针对gan射频功率器件导通电阻的测试技术主要采用静态测试方法或动态测试方法，测试过程可大致分为两个阶段：应力施加阶段和导通电阻测试阶段，在应力施加阶段向被测器件施加特定电学应力（如直流电压、脉冲电压或射频信号），随后在电学应力撤销后的极短时间内进行导通电阻的测量（导通电阻测试阶段），通过对比电学应力施加前后的导通电阻变化量来评估器件退化程度。

3、然而，上述测试方法存在明显局限，一方面，静态测试方法通常仅施加恒定电压应力，无法模拟器件在实际射频放大器电路中所经受的复杂电学环境，即在实际工作场景中，器件不仅承受直流偏置，还需同时应对射频信号、脉冲调制及其组合工况所产生的多模式复杂应力；另一方面，当前已有的带有钳位电路的动态测试方案难以有效应用于射频应力模式，根本原因在于，钳位电路中引入的寄生参数（如寄生电容和电感）会影响被测器件输出匹配电阻的阻抗，进而改变被测器件的工作状态，综上，通过现有的测试方法获得的导通电阻测试结果难以准确反映器件在真实射频工作环境中的退化特性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种多模式动态导通电阻测试电路以及测试方法，至少有利于提升gan射频功率器件导通电阻的测试速度和测试精度。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、本发明创造一方面提供一种多模式动态导通电阻测试电路，包括：射频功率源prf、射频开关电路、输入阻抗匹配电路、栅极偏置电路、直流电源vdd、直流电源供电电路、漏极偏置电路、带有射频隔离的钳位电路、输出阻抗匹配电路以及负载电阻zload；其中，射频功率源prf通过射频开关电路与输入阻抗匹配电路的第一端连接，输入阻抗匹配电路的第二端连接被测器件dut的栅极，栅极偏置电路连接被测器件dut的栅极，直流电源vdd通过直流电源供电电路与漏极偏置电路的第一端连接，漏极偏置电路的第二端连接被测器件dut的漏极，输出阻抗匹配电路的第一端连接被测器件dut的漏极，输出阻抗匹配电路的第二端连接负载电阻zload，带有射频隔离的钳位电路连接被测器件dut的漏极；在硬开关模式下，射频开关电路断开射频功率源prf与输入阻抗匹配电路的连接，用于测试经历直流电压应力的被测器件dut开通后的导通电阻；在射频应力模式下，射频开关电路导通射频功率源prf与输入阻抗匹配电路的连接，用于测试经历射频电压应力的被测器件dut应力撤除后的导通电阻。

4、进一步的，射频开关电路包括射频开关rf switch和第三脉冲电压源vgs3，射频功率源prf的一端接地，射频功率源prf的另一端连接射频开关rf switch的信号输入端，射频开关rf switch的控制端连接第三脉冲电压源vgs3的一端，第三脉冲电压源vgs3的另一端接地；多模式动态导通电阻测试电路还包括第五射频电容c5，射频开关rf switch的射频输出端通过第五射频电容c5连接输入阻抗匹配电路。

5、进一步的，栅极偏置电路包括第一射频电容c1、第一微带线tl1和第一脉冲电压源vgs1，第一射频电容c1的一端接地，第一射频电容c1的另一端连接第一微带线tl1的第一端，第一微带线tl1的第一端还连接第一脉冲电压源vgs1的正极端，第一脉冲电压源vgs1的负极端接地，第一微带线tl1远离第一射频电容c1的一端连接被测器件dut的栅极。

6、进一步的，直流电源供电电路包括单刀双掷开关s1和第一电阻r1，单刀双掷开关s1的公共端连接漏极偏置电路，单刀双掷开关s1的第一档位端子连接直流电源vdd的正极输出端，单刀双掷开关s1的第二档位端子通过第一电阻r1连接直流电源vdd的正极输出端，直流电源vdd的负极端接地，单刀双掷开关s1的控制端输入控制信号vs1，当控制信号vs1为高电平时，公共端与第一档位端子连通，当控制信号vs1为低电平时，公共端与第二档位端子连通；多模式动态导通电阻测试电路还包括源漏电流检测端口ids_p，源漏电流检测端口ids_p串联于第一电阻r1与直流电源vdd的正极输出端之间。

7、进一步的，漏极偏置电路包括第二微带线tl2和第二射频电容c2，第二微带线tl2的第一端连接被测器件dut的漏极，第二微带线tl2的第二端连接第二射频电容c2的第一端，第二射频电容c2的第二端接地，第二微带线tl2的第二端还连接直流电源供电电路；多模式动态导通电阻测试电路还包括：第四射频电容c4，输出阻抗匹配电路通过第四射频电容c4连接负载电阻zload，负载电阻zload远离输出阻抗匹配电路的一端接地。

8、进一步的，带有射频隔离的钳位电路包括：射频隔离电路和高速钳位电路；射频隔离电路包括第二电阻r2和第三射频电容c3；高速钳位电路包括开关晶体管q1、第三电阻r3和第二脉冲电压源vgs2；其中，第二电阻r2的第一端连接被测器件dut的漏极，第二电阻r2的第二端连接第三射频电容c3的第一端，第三射频电容c3的第二端接地；开关晶体管q1的漏极连接第二电阻r2的第二端，开关晶体管q1的源极连接第三电阻r3的第一端相连，第三电阻r3的第二端接地，开关晶体管q1的栅极与第二脉冲电压源vgs2的正极相连，开关晶体管q1的源极与第二脉冲电压源vgs2的负极相连；多模式动态导通电阻测试电路还包括电压检测端口vds-p，电压检测端口vds-p自开关晶体管q1的源极引出。

9、进一步的，射频应力模式包括trf1~trf2的应力施加阶段、trf2~trf3的过渡阶段以及trf3~trf6的导通电阻检测阶段；在应力施加阶段，第三脉冲电压源vgs3输出高电平，控制射频开关rf switch导通，使射频功率源prf经输入阻抗匹配电路接入被测器件dut的栅极，射频功率源prf向被测器件dut施加射频电压应力，同时，第一脉冲电压源vgs1输出低于被测器件dut阈值电压的低电平，以使被测器件dut工作在c类放大器状态，第二脉冲电压源vgs2输出低电平，控制开关晶体管q1保持关断状态，单刀双掷开关s1的控制信号vs1呈高电平，以控制单刀双掷开关s1的公共端与第一档位端子连通，直流电源vdd直接为被测器件dut的漏极供电，以使被测器件dut在射频电压应力施加期间获得直流偏置；在过渡阶段，第三脉冲电压源vgs3呈低电平，射频开关rf switch断开，射频功率源prf与输入阻抗匹配电路之间的通路断开，停止加载射频电压应力，单刀双掷开关s1的控制信号vs1呈低电平，以控制单刀双掷开关s1的公共端与第二档位端子连通，直流电源vdd经第一电阻r1为被测器件dut的漏极供电；在导通电阻检测阶段，第一脉冲电压源vgs1呈高于被测器件dut阈值电压的高电平，以控制被测器件dut导通，待系统稳定后，在trf4时刻，第二脉冲电压源vgs2跳变为高电平，以控制开关晶体管q1导通，再获取电压检测端口vds_p的信号和电流检测端口ids_p的信号，在trf5时刻，第二脉冲电压源vgs2跳变为低电平，控制开关晶体管q1关断，在trf6时刻，第一脉冲电压源vgs1跳变为低电平，控制被测器件dut关断，导通电阻检测阶段结束。

10、进一步的，硬开关模式包括th1~th2的应力施加阶段和th2~th5的导通电阻检测阶段；在应力施加阶段，第一脉冲电压源vgs1输出低于被测器件dut阈值电压的低电平，使被测器件dut处于关断状态，被测器件dut的漏极承受由直流电源vdd经第一电阻r1施加的直流电压应力，第二脉冲电压源vgs2输出低电平，控制开关晶体管q1保持关断状态；在导通电阻检测阶段，第一脉冲电压源vgs1输出高于被测器件dut阈值电压的高电平，被测器件dut开启，待系统稳定后，在th3时刻，第二脉冲电压源vgs2从低电平跳变为高电平，开关晶体管q1开启，再获取电压检测端口vds_p的信号和电流检测端口ids_p的信号，在th4时刻，第二脉冲电压源vgs2跳变为低电平，控制开关晶体管q1关断，在th5时刻，第一脉冲电压源vgs1跳变为低电平，控制被测器件dut关断，导通电阻检测阶段结束。

11、进一步的，被测器件dut的导通电阻rdson=vds-probe×(1+r2/r3)/（ids-probe-(vds-probe/r3)）；其中，vds-probe为电压检测端口vds_p的信号，ids-probe为电流检测端口ids_p的信号，r2代表第二电阻r2的阻值，r3代表第三电阻r3的阻值。

12、本发明创造另一方面提供一种多模式动态导通电阻测试方法，包括：提供前述的多模式动态导通电阻测试电路，多模式动态导通电阻测试电路包括：射频功率源prf、射频开关电路、输入阻抗匹配电路、栅极偏置电路、直流电源vdd、直流电源供电电路、漏极偏置电路、带有射频隔离的钳位电路、输出阻抗匹配电路以及负载电阻zload；在硬开关模式下，射频开关电路断开射频功率源prf与输入阻抗匹配电路的连接，测试经历直流电压应力的被测器件dut开通后的导通电阻；在射频应力模式下，射频开关电路导通射频功率源prf与输入阻抗匹配电路的连接，测试经历射频电压应力的被测器件dut应力撤除后的导通电阻。

13、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：针对传统导通电阻测试技术存在的问题，本发明提出了一种多模式动态导通电阻测试电路以及测试方法，可以检测gan hemt射频功率器件在射频应力模式下的导通电阻和硬开关模式下的导通电阻，为器件性能评估与可靠性研究提供了有力的测试平台支撑；本发明的射频应力模式和硬开关模式，均可以将应力施加阶段与导通电阻检测阶段之间的时间间隔缩短至纳秒级，实现器件动态导通电阻的快速、高精度测试。

14、具体的，本发明通过射频开关电路与直流电源供电电路的协同配置，可在硬开关模式与射频应力模式之间灵活切换，实现对gan hemt射频功率器件在不同工作条件下的动态导通电阻的测试，有效克服了传统测试装置应力模式单一的缺陷；本发明提出的带有射频隔离的钳位电路，可在射频电压应力施加阶段有效屏蔽钳位电路寄生参数对被测器件dut漏极匹配网络的影响，确保射频电压应力的准确加载，同时，带有射频隔离的钳位电路在导通电阻检测阶段不影响高速钳位电路的快速响应性能，从而将应力施加阶段与导通电阻检测阶段之间的时间间隔缩短至纳秒级，这一特性可有效捕捉器件在应力撤销后极短时间内发生的导通电阻退化信息，避免因检测延迟过长导致器件部分退化效应恢复而难以被观测的问题；此外，本发明所提出的射频隔离电路具有小型化的特点，可显著缩短电压检测点与被测器件dut漏极之间的物理距离，有效降低寄生参数对电压采样精度的影响，从而提高导通电阻的整体测试精度。