GaN HEMT 脉冲 I–V测试原理：动态导通电阻、偏置应力与恢复特性

GaN HEMT 的直流与脉冲I–V特性可能随偏置历史、导通持续时间和温度而变化。尤其在关断高电压应力之后，规定导通读出条件下的电流、电压可能不同于未应力时，表现为动态导通电阻变化。本文结合脉冲I–V测量说明如何设定预偏置、关断应力、读取和恢复阶段，如何计算动态导通电阻，以及怎样避免把测量时序或系统伪差误判为陷阱效应。

1. 脉冲I–V 与直流I–V 的测量差别

直流 I–V测试在每一个偏置点施加并等待后读取电压、电流；其测量结果可能包含期间形成的器件温度与电荷状态。脉冲I–V则通过短时间的偏置施加和指定采样窗口，控制读取时刻及此前施加的应力历史。脉冲测试能够减少特定条件下的自热，但不保证器件处于完全无热效应、无陷阱效应的状态。两类结果要比较，应保持栅压、漏源电压、温度及历史条件尽可能一致。

图1.GaN HEMT 栅极、漏极和源极的测试连接原理；实际实现依赖脉冲源、同步测量前端及高压保护配置。

2. 为什么会观察到电流塌陷？

高场关断应力可能改变GaN HEMT表面、缓冲层或栅结构附近的电荷占据状态。当器件随后导通时，尚未释放的俘获电荷可能改变局部电场与沟道导电能力，在相同读出条件下出现导通电流降低和计算导通电阻升高。这是“电流塌陷”与动态导通电阻增加的重要物理背景之一，但不能凭单一静态—脉冲对比就证明具体陷阱来源。

图2.三组曲线代表一种可能的测量结果，排序并非GaN HEMT 通用规律。

3. 如何设计脉冲偏置时序？

典型动态导通读出可以分为预处理、关断应力、导通读取和恢复四个阶段。预处理用于统一初始状态；关断应力记录V_GS,Q、V_DS,Q及持续时间；导通读取记录V_GS,on 和器件实际V_DS,on、I_D,on；恢复阶段使下一次测量具有可追溯的间隔。

图3.测量时序为概念示意。读出点必须避开明显的开关过渡和未稳定状态。

关键不是仅在软件中输入脉宽，而是核对器件端实际到达的波形。连接寄生、电流感测方式、脉冲源阻抗、量程和采样带宽均可能影响导通瞬态结果。功率器件短脉冲的指令宽度也不一定等于可用来提取电阻的有效读出时间。

4. 动态导通电阻的计算与比较

对于规定的导通工作点，动态电阻由同一时刻的端口量计算：

R_ON,dyn(t) = V_DS,on(t) / I_D,on(t)

这一比值需在电流不为零、器件处于适当的导通读出区间时解释。若比较相对变化，还可采用K_R = R_ON,dyn / R_ON,ref，但必须说明参考电阻来自何种温度、读出电流、栅压及偏置历史。动态电阻是计算结果，不是独立于电压和电流测量之外直接采集的量。

图4.示意同步读出V_DS,on 和 I_D,on的稳定窗口，计算其比值。

5. 读取延迟与陷阱恢复的解释

部分器件在关断应力后会呈现随读出延迟改变的动态电阻。较早读取可能得到较高的数值，随后出现恢复，但其具体方向、幅度和时间尺度依赖器件结构、温度与应力条件。2025年的 GaN-on-Si HEMT脉冲研究表明，测得的动态导通电阻可随脉冲持续时间和电流条件变化。

图5.示意曲线，非实测；不能仅由恢复形状确定缺陷种类或位置。

实验中应固定读出条件而分别改变应力电压、应力时间或读出延迟。对曲线进行指数拟合得到的时间常数是模型参数，不应未经其他证据便与单一陷阱能级直接对应。

6. 测试条件如何影响结果可靠性？

应完整记录：关断应力的电压和持续时间；导通读取的栅压、目标电流或低漏压；实际端口波形、采样窗口和读出延迟；温度、脉冲间隔和重复频率；导通电阻的参考值定义。高电压和低导通电压跨量程测量还需要检查探头带宽、共模瞬态、振铃及器件额定限制。

图6.实验条件清单，可用于提高不同样品和不同批次实验的可比性。

脉冲I–V、双脉冲开关测试和实际变换器工况测试的目的不相同。前者适合在可控偏置条件下研究器件级输出特性；若需要验证实际开关损耗，应配合针对负载和系统运行条件的测量。

7. 相关设备

FluxDancer是一款模块化半导体参数分析仪，用于先进器件的低噪声直流、CV、阻抗、快速脉冲和噪声测试。系统融合SMU、电流表、电压表、LCR表及开关矩阵，主要用于建立统一、可扩展的电学表征测量流程。适用于FET、BJT、太阳能电池、发光器件及功率器件研发。宽禁带半导体、功率器件、低维晶体管和新型存储器件要求同时测量静态IV、CV、低频噪声、快速脉冲与偏压应力。FluxDancer适合研究接触电阻、陷阱态、迟滞、自热效应和可靠性退化，并支持按课题增加通道与测量模块。

(1) 支持IV、CV、阻抗、噪声、IV-t、4PP及多类器件专用测试。

(2) 电流分辨率达到10 fA（弱电流分辨能力达0.1fA）、电压分辨率达到100 nV，电压范围-200 V至200 V。

(3) 支持1.8 MS/s高速采集、±3 A脉冲电流以及Super-PIV（50 μs-ns级高速模块）等快速脉冲测量。

(4) 支持Solar cell、FET、BJT、EL、1/f噪声等应用流程，可按通道和功能模块扩展。

(5) 应用软件可针对FET、BJT、太阳能电池、EL进行系统测试，减少重复编程和人工换线。

FluxDancer

参考资料

[1] Zulauf G., Guacci M., Kolar J. W., IEEE Transactions on Power Electronics, 2020. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2955656.

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