摘要：為探究碳化硅功率器件抗輻照損傷能力和輻射效應(yīng)機制，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺，利用Keithley公司的2410高壓源表、USB-GPIB接口適配器等設(shè)備，針對兩款商用碳化硅功率二極管，建立了一套輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)在集成了Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真實時控制和信息同步顯示的基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了電壓和電流數(shù)據(jù)的實時采集、圖像化的I-V和Ｉ-t特性曲線顯示及存儲等功能。開發(fā)的測試系統(tǒng)在碳化硅功率二極管的重離子和質(zhì)子輻照實驗中成功應(yīng)用，為今后深入開展輻射效應(yīng)實驗研究提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：碳化硅功率二極管輻射效應(yīng)單粒子燒毀測試系統(tǒng)LabVIEW

中圖分類號：TN313.4

DevelopmentofRadiationEffectTestingSystemforSiliconCarbidePowerDiode

LIUJiancheng1，2GUOGang1，2*HANJinhua1，2LIUCuicui1，2

1.ChinaInstituteofAtomicEnergy;2.NationalInnovationCenterofRadiationApplication，Beijing，102413China

Abstract：Thispaperistoexploretheradiationresistanceandtheradiationeffectmechanismofsiliconcarbidepowerdevices.BasedonLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform，aradiationeffecttestsystemfortwocommercialsiliconcarbidepowerdiodeswasestablishedbyusing2410highvoltagesourcemeterandUSB-GPIBinterfaceadapterofKeithleycompany.OnthebasisofintegratingKeithley2410high-voltagesourcemeterfunctionpanelsimulationandreal-timecontrolandinformationsynchronizationdisplay，thesystemalsorealizesthereal-timeacquisitionofvoltageandcurrentdata，thedisplayandstorageofgraphicalI-VandI-tcharacteristiccurves，andotherfunctions.Thedevelopedtestingsystemhasbeensuccessfullyappliedintheheavyionandprotonradiationexperimentsofsiliconcarbidepowerdiodes，providingtechnicalsupportforfurtherresearchonradiationeffectexperimentsinthefuture.

KeyWords：Siliconcarbidepowerdiode;Radiationeffects;Singleeventburnout;Testingsystem;LabVIEW

近年來，隨著我國航天事業(yè)迅猛發(fā)展，對高性能電子器件的需求越來越高。碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐輻照等優(yōu)勢，SiC器件已被納入航天發(fā)展戰(zhàn)略部署[1-2]。然而，空間中的質(zhì)子、重離子等高能輻射粒子會導(dǎo)致SiC器件發(fā)生位移損傷效應(yīng)和單粒子效應(yīng)（SingleEventEffect，SEE）等輻射效應(yīng)，最終造成器件的性能退化甚至永久失效[3-4]，影響航天任務(wù)的達成。SiC結(jié)勢壘肖特基（JunctionBarrierSchottky，JBS）功率二極管具有大電流、高反向偏壓、開關(guān)速度快、抗浪涌電流強等特點，特別適合航天電源系統(tǒng)的應(yīng)用。國內(nèi)外對SiCJBS功率二極管的輻射效應(yīng)研究表明其存在單粒子燒毀（SingleEventBurnout，SEB）等現(xiàn)象。目前，SiCJBS的輻射效應(yīng)機理仍是當(dāng)今國際輻射效應(yīng)領(lǐng)域的研究熱點[5-6]。本文針對兩款商用SiCJBS功率二極管開發(fā)了輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)，并進行了實驗應(yīng)用，為今后開展其輻射效應(yīng)機理研究打下良好基礎(chǔ)。

１測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由裝有LabVIEW軟件的PC計算機、Keithley2410高壓源表、SiCJBS功率二極管測試板、USB-GPIB接口適配器等部分構(gòu)成。

測試系統(tǒng)工作過程如下：將PC計算機與Keithley2410高壓源表通過USB-GPIB接口適配器物理連接成功后，打開源表電源開關(guān)，當(dāng)PC計算機程序與源表的GPIB地址參數(shù)設(shè)置一致時，可通過發(fā)送SCPI程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令至源表，實現(xiàn)源表功能面板的模擬仿真及器件電壓-電流值同步測量等功能。本測試系統(tǒng)就是通過USB-GPIB接口適配器將源表所測的器件電壓-電流值傳輸?shù)絇C計算機，并通過LabVIEW軟件分析數(shù)據(jù)并作圖，從而獲得器件的I-V、I-t特性曲線圖。

所設(shè)計的SiCJBS功率二極管輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)具備功能如下。

（1）在掃描電壓模式下，可監(jiān)測器件的漏電流隨電壓的變化即I-V特性曲線（包括正向和反向I-V特性測試）。

（2）在設(shè)定不同偏置電壓下，可監(jiān)測器件的漏電流隨時間的變化即I-t特性曲線，并具有檢測SEB的功能。

2系統(tǒng)硬件介紹

2.1 測試器件

系統(tǒng)測試的兩款SiCJBS功率二極管為國外Infineon公司、國內(nèi)泰科天潤公司的產(chǎn)品，編號分別為1#和2#，兩個器件均采用雙芯TO-247-3規(guī)格共陰極封裝，額定電壓均為1200V、額定電流均為40A。為保證輻照重離子能夠進入器件有源區(qū)，在進行實驗前對全部器件進行了開封處理，如圖2所示。所有開封后的器件均需使用測試系統(tǒng)測試其正、反向I-V特性，確保器件性能正常。實驗時，使用測試系統(tǒng)在器件輻照過程中進行不同偏置電壓的控制以及漏電流的實時監(jiān)測與存儲，以此測試器件的SEB現(xiàn)象。

2.2測試源表

Keithley2410是一款1100V/1A的高壓源表，具有線性掃描、對數(shù)掃描和自定義掃描等功能，可同時對器件進行電壓與電流的測量，實現(xiàn)SICJBS功率二極管的I-V、I-t特性測試以及SEB測試。該源表能夠與LabVIEW軟件兼容，通過遠(yuǎn)程操作SCPI命令編程[7]，用PC計算機來控制源表，大大擴展了源表的測試功能，減少了人工干預(yù)，提高了測試效率。

2.3USB-GPIB接口適配器

本系統(tǒng)中PC計算機與Keithley2410高壓源表通過KeithleyKUSB-488B接口適配器實現(xiàn)物理連接[8]。該接口適配器可以將具有USB接口的PC計算機變成一個功能齊全的GPIB控制器，可使任意一臺PC計算機與帶有GPIB接口的源表進行通信。該接口適配器符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，兼容IEEE-488.2標(biāo)準(zhǔn)且傳輸數(shù)據(jù)的速率高達1.5MB/s，其適用系統(tǒng)平臺可以是Windows、Linux等，可很方便地通過LabVIEW編程，實現(xiàn)對Keithley2410高壓源表的自動控制。

2.4器件測試板

器件測試板原理如圖3所示，采用LabVIEW編程實現(xiàn)Keithley2410高壓源表前、后兩面板輸出自動切換，可實現(xiàn)器件的SEB測試和正反向I-V、I-t特性測試。制作好的器件測試板如圖4所示，主要包括連接Keithley2410高壓源表測試線纜用的SMA插座、器件安裝用的陶瓷座等，測試板可同時安裝6個器件，以滿足輻射效應(yīng)實驗研究的需要。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件使用LabVIEW語言作為SiCJBS功率二極管輻照效應(yīng)測試系統(tǒng)的開發(fā)平臺。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是使用G編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序的編程環(huán)境[9]。與傳統(tǒng)的基于文本的編程語言（如C++或Python）不同，LabVIEW使用數(shù)據(jù)流編程方式，可以通過圖形化的方式來表示和控制程序的執(zhí)行流程。使用LabVIEW編寫軟件，可使軟件功能完備、運行高效、操作簡單而又用戶界面友好。

3.1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

SiCJBS功率二極管的I-V測試和I-t測試是測試系統(tǒng)的兩個基本功能，其中I-V測試包括設(shè)置開始、停止掃描電壓值及測試點數(shù)，顯示I-V測試曲線并保存I-V數(shù)據(jù)；I-t測試包括設(shè)置電壓值，SEB電流閾值、顯示I-t測試曲線并保存I-t數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

程序劃分為兩個主要的I-V測試和I-t測試功能模塊，每個功能模塊實現(xiàn)各自不同的功能。編程時按照模塊化的思想，將各個功能模塊逐一加以實現(xiàn)，將有些模塊生成子程序VI，供程序主體調(diào)用。最后，將這些功能模塊整合成完整的測試系統(tǒng)軟件。

3.2I-V測試模塊的程序設(shè)計

如前所述，Keithley2410高壓源表提供了三種掃描類型：線性掃描、對數(shù)掃描和自定義掃描。若使用2410源表功能面板配置一次I-V測試掃描功能，需要人工選擇多個菜單和按鈕，操作繁瑣，易出錯；需要查閱2410源表用戶手冊才能完成。為了解決此問題，本系統(tǒng)設(shè)計了I-V測試程序，可作為子程序VI由主程序調(diào)用。該程序是采用Keithley2410高壓源表已認(rèn)證的LabVIEW即插即用儀器驅(qū)動程序[10]，通過LabVIEW對源表儀器驅(qū)動程序中的Keithley2410掃描程序.vi進行編程。首先，對Keithley2410高壓源表進行初始化設(shè)置以及清空各個寄存器，使用初始化.vi完成。然后，設(shè)置測量電流、V/I模式輸出、掃描開始和結(jié)束電壓、掃描測試點數(shù)，分別通過設(shè)置測量模式.vi、設(shè)置輸出V/I模式.vi、設(shè)置輸出掃描.vi來實現(xiàn)。接下來，通過輸出使能.vi啟動源表輸出，通過測量.vi讓源表執(zhí)行掃描方式測試任務(wù)，并作圖顯示I-V曲線，再次執(zhí)行輸出使能.vi完成關(guān)閉源表輸出，最后執(zhí)行關(guān)閉.vi結(jié)束全部任務(wù)操作。設(shè)計的I-V測試程序框圖如圖6所示，將LabVIEW中的圖形顯示控件的輸入端通過創(chuàng)建XY圖和轉(zhuǎn)換至動態(tài)數(shù)據(jù)連接至測量.vi的輸出端，則可以在前面板中獲得器件的正、反向I-V特性曲線，如圖7和圖8所示。

3.2I-t測試模塊的程序設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的I-t測試程序，同樣使用Keithley2410高壓源表儀器驅(qū)動程序中的READ.vi進行編程，完成器件I-t及SEB測試。利用LabVIEW中創(chuàng)建波形函數(shù)，將函數(shù)輸入端t0、Y分別與READ.vi電流輸出端及獲取日期/時間函數(shù)輸出端連接，dt設(shè)置為1s，可獲得器件的I-t測試曲線；在I-t測試的同時，將獲取的器件電流值與SEB限定電流值比較，若前者大于等于后者，則會立即發(fā)出SEB警告信息，并同時將源表斷電，以保護被測試器件。其程序框圖如圖8所示，其中創(chuàng)建波形函數(shù)中的t0為波形的起始時間、dt為波形中數(shù)據(jù)點間的時間間隔、Y為波形的數(shù)據(jù)值。I-t測試程序編好后，將此程序全部代入系統(tǒng)主程序框圖內(nèi)即可實現(xiàn)I-t及SEB測試的功能。

3.3功能面板模擬仿真程序設(shè)計

本系統(tǒng)Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真程序，使用的是源表用戶手冊提及的SYSTem命令組中的：SYSTem：Key<NRf>命令，利用LabVIEW提供的界面功能，在外型上完全模擬Keithley2410高壓源表的功能面板，實現(xiàn)真實面板上各個按鍵的功能，并可以實現(xiàn)源表的實時控制和信息的同步顯示。源表功能面板上每一個功能鍵均對應(yīng)了一個數(shù)字（如圖9所示），如執(zhí)行：SYSTem：KEY24相當(dāng)于人工按一次按鍵“ON/OFF”；執(zhí)行SYSTem：Key32相當(dāng)于人工按一次按鍵“FRONT/REAR”，實現(xiàn)前后面板輸出的切換，完成兩個器件的切換測試功能。采用SYSTem：KEY<NRf>方法，顯示將成為最重要的部分，實驗人員必須根據(jù)反饋的提示信息繼續(xù)按鍵，才能最終設(shè)置參數(shù)。源表功能面板有2個顯示：一是主顯示行，一是次顯示行。前者主要顯示測量的類型（電壓、電流等）、菜單說明、錯誤信息等，后者則是顯示測量選擇的范圍、菜單選項、其他的信息等。Keithley2410高壓源表提供了不同的編程命令，主顯示和次顯示的命令分別為：DISPlay：WIND1：DATA？和：DISPlay：WIND2：DATA？。在此通過編寫讀信息子程序VI，將源表兩個顯示行的字符讀入PC計算機，最終程序界面如圖10所示。

4.4測試系統(tǒng)主程序的設(shè)計

如前所述，在完成各功能模塊程序設(shè)計后，就可進行測試系統(tǒng)主程序整合設(shè)計。本測試系統(tǒng)主程序設(shè)計采用了事件“狀態(tài)機”的模式，有Initialize、WaitforEvent、Buttonexecution、I-VTest、I-tTest、Exit這6個狀態(tài)分支，分別執(zhí)行系統(tǒng)主界面顯示及狀態(tài)初始化、等待事件、按鈕執(zhí)行、I-V測試、I-t測試、退出系統(tǒng)六個功能，其流程圖如圖11所示。

主程序運行后首先進入“Initialize”狀態(tài)進行初始化操作，然后進入“WaitforEvent”狀態(tài)，等待選擇按鈕操作。如點擊Keithley2410高壓源表功能面板中的“ON/OFF”按鍵時，便進入“Buttonexecution”狀態(tài)，完成源表電源輸出操作后，進入“WaitforEvent”狀態(tài)，繼續(xù)等待選擇按鈕操作。此時若選擇I-t測試并設(shè)置SEB閾值后，點擊“Start”按鈕，便進入“I-ttest”狀態(tài)，測試器件的電流值，實時顯示I-t曲線并保存數(shù)據(jù)，同時與SEB閾值比較。如果發(fā)生SEB，程序會給出SEB警告信息并自動關(guān)閉源表電源輸出，然后進入WaitforEvent”狀態(tài)；若未發(fā)生SEB，可自行按“Stop”按鈕結(jié)束I-t測試狀態(tài)，轉(zhuǎn)入“WaitforEvent”。此時若選擇I-V測試并設(shè)置開始、結(jié)束掃描電壓值以及測試點數(shù)后，點擊“開始”按鈕，進入“I-VTest”狀態(tài)，完成I-V掃描測試后，程序自動進入“WaitforEvent”狀態(tài)。若點擊“Exit”按鈕，則程序進入“Exit”狀態(tài)，退出整個測試系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)主程序框圖如圖12所示，主程序運行界面如圖13所示，最終設(shè)計完成的SiCJBS功率二極管輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)如圖14所示。LabVIEW圖形化的編程語言環(huán)境大幅簡化了程序的復(fù)雜程度，提高了程序的執(zhí)行效率。

5實驗應(yīng)用

在北京HI-13串列加速器上，利用該輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)對兩款商用SiCJBS功率二極管開展了重離子和質(zhì)子輻照實驗研究[11-12]。以重離子輻照實驗為例，在208MeVGe離子輻照中成功監(jiān)測到了兩款器件的反向漏電流的I-t特性曲線及SEB現(xiàn)象，如圖15所示。輻照停止觸發(fā)條件是器件發(fā)生SEB現(xiàn)象（將電流超過1×10-5A判定為發(fā)生SEB），或者輻照注量達到1×107ions/cm2，實驗結(jié)果如表1所示?？梢姡瑖a(chǎn)器件對Ge離子的響應(yīng)結(jié)果相似，但在-300V偏壓下未發(fā)生SEB；國外器件在-300V偏壓下發(fā)生了SEB。兩款器件受到Ge離子輻照前后的I-V特性如圖16所示，受到Ge離子輻照之后的正向I-V特性呈現(xiàn)一定程度改善。

6結(jié)語

本文針對兩款商用SiCJBS功率二極管開發(fā)了一套輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)，在硬件上不僅實現(xiàn)了專用測試電路板的設(shè)計，而且也實現(xiàn)了利用USB-GPIB接口適配器完成了Keithley2410高壓源表與PC計算機之間物理連接的功能，保證了獲取數(shù)據(jù)的高速傳輸；在軟件上，基于LabVIEW圖形化編程語言環(huán)境實現(xiàn)了對Keithley2410高壓源表功能面板模擬仿真的實時控制和信息的同步顯示，同時也實現(xiàn)了器件的正反向I-V特性曲線掃描、反向漏電流監(jiān)測與存儲、I-V和I-t特性曲線作圖等功能。該測試系統(tǒng)在北京HI-13串列加速器的重離子和質(zhì)子輻照實驗中成功進行了應(yīng)用，為實驗研究人員對SiC功率器件機理研究工作提供了技術(shù)支撐，也為后續(xù)SiC功率器件MOSFET、JFET、IGBT等輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)的開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

[1]劉超銘，王雅寧，魏軼聃，等.SiC功率器件輻照效應(yīng)研究進展[J].電子與封裝，2022，22（6）：5-16.

[2]彭超，雷志鋒，張戰(zhàn)剛，等.重離子輻照導(dǎo)致的SiC肖特基勢壘二極管損傷機理[J].物理學(xué)報，2022（17）：275-282.

[3]李治明.高能質(zhì)子和重離子輻照碳化硅肖特基勢壘二極管導(dǎo)致?lián)p傷效應(yīng)的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2022.

[4]張鴻，郭紅霞，顧朝橋，等.SiCJBS二極管和SiCMOSFET的空間輻照效應(yīng)及機理[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2022，20（9）：884-896.

[5]于慶奎，張洪偉，孫毅，等.SiC結(jié)勢壘肖特基二極管的重離子單粒子效應(yīng)[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2019，10（1）：010602.

[6]曹爽，于慶奎，鄭雪峰，等.重離子輻照1200V碳化硅二極管漏電退化的缺陷分析[J].裝備環(huán)境工程，2020，17（30）：53-58.

[7]KeithleyInstrumentsInc.Series2400SourceMeterUser’sManual[R].USA：

KeithleyInstrumentsInc.，2011.

[8]KeithleyInstrumentsInc.IEEE-488（GPIB）InterfaceSolutions[R].USA：KeithleyInstrumentsInc.

[9]NationalInstrumentsCorporation.LabVIEW用戶手冊[DB/OL].https：//www.ni

.com/docs/zh-CN/bundle/labview/page/user-manual-welcome.html，2023.

[10]NationalInstrumentsCorporation.Keithley24XXMeterCertifiedLabVIEWPlugandPlay（project-style）InstrumentDriver[DB/OL].https：//sine.ni.com/apps/utf8/niid_

web_display.download_page？P_id_guid=25B255F3AA83660EE0440003BA7CCD7.

[11]劉翠翠，李治明，郭剛，等.碳化硅肖特基勢壘二極管重離子輻照及退火效

應(yīng)研究[C]//國核學(xué)會輻射物理分會.第五屆全國輻射物理學(xué)術(shù)交流會論文集.中國核學(xué)會輻射物理分會，2023：15.

[12]劉翠翠，郭剛，李治明，等.碳化硅結(jié)勢壘肖特基二極管的質(zhì)子輻射效應(yīng)[J].同位素，2022，35（6）：449-459.