概觀

不論是二極體的簡單型離散元件，或如類比數位轉換器（ADC）的複雜元件，其特性記述（Characterization）均必須以一系列數值依序步進（Stepping），並記錄其所產生的響應。以二極體來說，常見的激源值（Stimulus value）為電壓，而量測值則為電流。若要完整了解二極體的相關作業，則必須盡可能套用不同的電壓值至二極體。在生產環境中，電壓輸出與電流量測的速度多有不同，並可決定廠房的總輸出產能。本文將針對二極體特性記述系統的效能，比較傳統GPIB 控制電源供應與可程式化PXI電源供應之間的內容。

二極體基礎概念

二極體的基礎概念，即是讓電流單向流動，並阻擋反方向的電流。透過二極體中，N型與P型矽晶片之間的接合（Bond），即可達到上述效果。雖然N型與P型矽晶片均為導體，只要接合並進行合適的導向作業，則在理想狀態下不會導通任何電力。只要倒轉終端，即可讓電流自由流通。當然，實際狀況並不可能如此完美。圖一則顯示電流與電壓極體較為實際的狀況。

《圖一　二極體的作業特性 》 資料來源：HowStuffWorks.com

當二極體為逆向偏壓（Reverse-biased）時，則將阻擋所有的電流。而實際情況下，會有約10 uA的小型電流通過。然而，若套用的電壓達到足夠強度，則接合面（Junction）將完全失效，而電流將完全不受限制。當二極體為順向偏壓（Forward-biased），則必須達到某個閘值（通常約為0.7 V）之後，電流才能夠順利通過以進行操作。此項作業即為二極體的開啟（Turn-on）電壓。

二極體測試

二極體的測試程序必須將一系列的電壓值套用至在測單元（UUT），並量測電流響應。測試操作者僅需跨多的電壓值進行掃瞄，以取得二極體功能的詳細資訊。圖二即以LabVIEW軟體進行電壓掃頻作業的範例測試程式碼。

《圖二　透過二極體進行電壓值掃頻作業的LabVIEW範例程式碼》

相關程序如下：

常見的二極體測試，應包含從0V開始的掃頻電壓，至最少約0.7V的暫態電壓範圍。越為完整的掃頻作業，亦可能包含某些負區域（Negative region）中的特性記述（Characterization），可用於檢驗逆向偏壓的作業。這些範圍中所進行量測點的數量，將根據不同的測試精確度而有所差異。

比較掃頻時間

由於掃頻點的數量將決定解析度，因此若電源供應可迅速掃瞄一系列的量測點，將對整個作業極有幫助。若要比較掃頻時間、或是比較每組裝置的測試時間，則可比較GPIB架構的電源供應與可程式化電源供應之間的內容。針對此項測試，則將同時以順向與逆向偏壓，進行二極體的-1.6V～+1.6V特性記述作業。其相關屬性如下：

由於程式碼將影響測試結果，因此為了將程式碼的差異降至最低，則使用IVI-DCPower類別驅動程式（Class driver）進行此2項裝置的程式設計。可互換式虛擬儀器（IVI）程式設計的概念已開發完成，因此程式碼的片段（Piece）可透過硬體中立（Hardware-agnostic）的方式進行寫入，這樣便能讓相同的程式碼片段可於不同製造商的裝置中進行作業。GPIB架構的電源供應與可程式化電源供應均相容於IVI，因此IVI-DCPower類別驅動程式可同時溝通此2組裝置，並保留所有的設定、程式碼無效性（Inefficiency），或其他作業系統於裝置中的延遲，此功能可確保比較作業的公平性。

同樣地，由於此2組裝置並不具有單一的雙極輸出，亦即均可輸出正／負電壓，所以測試將專用1個通道為負值，另1個通道則為正值。每項裝置的設定為下列所示：

此並可於電源供應與二極體之間放置切換矩陣，在測試期間將負極通道迅速轉換為正極通道。因為2組裝置均使用相同的矩陣，因此可排除為影響因素之一。

2組裝置均使用相同條件的測試結果圖表如下所示：

《圖三　GPIB架構電源供應與可程式化電源供應二極體的測試結果顯示圖比較結果》

透過上述的比較測試設定，則得到下列結果：

如結果所示，可程式化電源供應的速度可較傳統GPIB架構電源供應快上45倍。GPIB架構電源供應裝置的每電壓步進均需要約600ms的時間。若進一步計算掃頻點的總數量與所需的測試時間，使用者則可輕鬆挑選出效率最高的儀器。可程式化電源供應可於較短的533 ms時間內，執行共40個點的掃頻作業，其速度明顯高於GPIB控制的電源供應方案。

事實上，只要透過可程式化電源供應，則可跨二極體輕鬆達到2倍或3倍的掃頻點數目，並以相同的測試時間，提升二極體測試的解析度。再進一步測試可程式化電源供應，則僅需4.6秒與8 mV的步進間隔（Step size），則可達10倍解析度的掃頻數值。可程式化電源供應可於20V的通道中進行最低400 μV的步進電壓掃頻；針對-1.6V～+1.6V的掃頻，則可超過8000個步階的步進電壓。以該解析度所粗估的總測試時間僅需92秒，亦即僅花4倍時間就可達到GPIB電源供應的200倍解析度！

如同上述所提過的，此2組裝置均以相同的IVI-DCPower類別驅動程式進行程式設計。基於此項功能，當於此2組裝置之間進行切換時，僅需小幅修改或不需更動程式碼。且可輕鬆進行其他GPIB架構電源供應的硬體升級，並可透過可程式化電源供應大幅縮短測試時間或提升解析度。

使用可程式化電源供應提升速度的理由

比較測試除了與設定電壓值相關之外，其每個設定點（Setpoint）亦必須進行電壓與電流的雙重量測。因此，匯流排的轉換速度，與每組裝置所使用的量測架構，均將影響每個步進的所用的時間。

以PXI匯流排為架構的可程式化電源供應，可大幅提升程式設計與量測的速度。透過132Mbps的PXI匯流排速度，可簡化程式參數的傳送作業，並加速資料檢索。3個通道的各通道均需進行電壓／電流程式設計，再加上相容性限制、警告、錯誤，或溫度等量測參數與狀態資訊，因此需雙向移動的資料總數，將可直逼傳統的匯流排解決方案。PXI可透過微秒的時間單位移動資料；而傳統的GPIB或儀器匯流排架構，則需要毫秒（Millisecond）或毫秒的10s時間單位。因此在實際情況下，可忽略可程式化電源供應的軟體與資料路徑負載（Path overhead）。

可程式化電源供應亦具有凌駕傳統量測方式的速度優勢。常見的電源供應量測方式，均為整合類比轉數位（ADC）的架構模式。這些ADC雖具有雜訊的優點，但提升速度的彈性卻稍嫌不足，特別在動態的激發響應裝置中，此特性則更為明顯，像是精確的電源供應或SMU裝置。透過多通道的電源供應，則速度較慢的ADC亦可產生大量的負載（Overhead），以擷取多個參數並呈現輸出的狀態。

可程式化電源供應所使用的架構，是以高速資料擷取系統的相似量測引擎為基礎。量測所使用的2組ADC為200 kS/s取樣率、16位元解析度的高頻寬轉換器：1組用於單一非隔離式通道，而另1組則用於2個隔離式通道。ADC可同時進行量測回讀（Read back）與輸出調節（Regulation）。量測的迴路淨速度（Net loop speed）約落在3kS/s的範圍中。換句話說，量測引擎可於每個300μs時轉回6次量測，亦即3個通道的電壓與電流輸出，包含輸出的調節迴路資料。此速度足以在毫秒範圍內的上升次數同步觀看所有通道的趨穩時間，並亦高於任何激發響應步進波形所需的速度。

結論

在高度量產的環境中，針對如二極體的半導體特性記述測試，則其測試解析度與測試時間可隨時進行取捨。包含較慢速ADC的GPIB架構裝置，的確與PXI平台加上最新的量測技術有著極大的差異。僅使用可程式化電源供應，即可達到傳統匯流排解決方案的總測試輸出率45倍之多，並可省下製造的時間與成本。同樣的，由於可程式化電源供應是以IVI驅動程式為基礎，因此僅需小幅修改軟體，即可將現有的設備升級，並快速升級系統的測試速度。

（本文由NI美商國家儀器提供）