半導體材料最近引來不少關注。在功率半導體領域，硅對于設備生產商的運行性能已經逼近極限。功率半導體用戶需要更高效的、切換時損失電力不那么多的設備。
因此功率半導體廠商開始轉向替代材料，更具體地說是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。選擇這兩種材料有很多理由，比如它們的寬禁帶對高溫應用很有吸引力。

舉個例子，福特汽車公司就對用GaN設備完成混合動力車電源轉換非常感興趣。福特過去在這些應用里用硅功率MOSFET，但必須讓它們遠離絕大多數(shù)電源轉換所在的引擎室。原因？它們受不了高熱。結果就是更長的線和紅外損失，完全與混合動力車的初衷背道而馳。作為對比，GaN設備可以在300°C攝氏度高溫下正常工作。

當然，GaN功率半導體成本更高，對吧？其實沒你想的那么高，特別是目前業(yè)界已經采用在硅襯底和氮化鋁緩沖層之上生長GaN的技術。這使得設備廠商可以利用現(xiàn)有硅制程技術在襯底上生長PN結。GaN定價也從原先10-15倍于傳統(tǒng)硅下降到更容易接受的水平——如果你確實需要性能提升的話。

因此我們有了能提供更高效、更耐用的高性能材料，并且價位也能讓混合動力車、工業(yè)用引擎等大批量生產設備所接受。GaN在電源切換性能上遠比硅更趨于完美——擋住無限大小的電壓、承載無窮大的電流、完成實時切換，并且完全不需要驅動電源。當然，GaN還達不到完美的標準，但已經比硅接近太多：GaN能夠阻擋更高的電壓、有更低的電阻、速度也更快。具體有多快呢？哪怕在10A電流下，GaN FET都能在幾毫秒間完成切換。這可能是80MHz的頻率切換。

不過這種神奇的材料技術也有一個缺陷。在GaN開關里，電流提升更快、電壓下滑更快。這意味著GaN設備雖然切換更快，但開啟電壓也和漏源接通電阻一樣低。

設計師需要用示波器觀察設備的運行規(guī)律、測量轉換中的損失。這些設備中的電壓變化幅度可以達到600V甚至更多，必須測量地更快。示波器必須有足夠帶寬來及時反映轉換，并且提供足夠高的分辨率來觀察轉換中的低電壓。

這問題的一種解決方法來自探測方面。Tektronix技術營銷經理Randy White表示：“我們聽使用GaN功率半導體的工程師談過這問題。他們希望帶寬超過1GHz的設備完成KV級測量?！碧綔y器在這里屬于限制因素。頂級單端HV探測器能達到800MHz，或許可以應付600V的變化幅度。

另一個探測方面的問題是高壓下的安全性。Tektronix和其它示波器廠商花了很大精力打造高壓示波器，確保絕緣。但Tektronix的用戶反對安全措施，因為它們會犧牲性能。

那么長引線傳感器呢？不好，會帶來太多電感導致電路負載或電路振蕩。很難判斷振蕩究竟是因為電路不穩(wěn)定還是測試設置。Tektronix嘗試為高頻測量加入這項需求，為探測器增加減震電阻實現(xiàn)高電壓下的高保真。

在示波器方面則需要更高分辨率。今天絕大多數(shù)示波器提供8位分辨率。White表示超越這一限制的方法是通過平均化進行后期處理。White表示：“我們會提醒用戶平均化有效，但這么做也有不足。”若要平均化奏效，測量信號得具有可重復性。那發(fā)動機的毛刺或者電流干擾呢？這種測量依然需要平均化才能提升分辨率。解決方法是通過積分平均（boxcar-averaging）技術，此時信號被過采樣，這種辦法可以降低隨機噪聲、實現(xiàn)更高分辨率的測量。

GaN功率半導體目前正在進行有限量產。國際整流器公司（International Rectifier）計劃在未來12至18個月內實現(xiàn)全面量產。測量這些設備將成為很多工程師的問題。未來一兩年還需要多留意一下這一領域的新聞和進展，不管是元器件方面還是測試方面。

下一頁原文參考: Working with SiC/GaN Power Semis Poses Test Challenges