半導体の静特性を測定する

トランジスタ、ダイオードなど、単一の機能を持つ半導体を個別半導体と呼びます。半導体の集積化が当たり前になっていますが、以前よりパワー・トランジスタ、最近ではGBT、SiCなどの個別半導体の静特性の評価は基本的な測定です。
FETでは図1のようにゲート・ソース間電圧を変化することでドレイン電流をコントロールします。


図1　トランジスタの静特性で測定する項目例

図2はMOSFETの特性例です。
ゲート・ソース間電圧（V_GS）を3.5Vから10Vまでの範囲で一定値に保ち、ドレイン・ソース間電圧（V_DS）を0Vから20Vまで変化させたときのドレイン電流（I_D）の変化を示しています。


図2　MOSFETの特性例

学生実験における静特性測定では、図3のようにゲート・ソース間に直流電源を、ドレイン・ソース間にも直流電源を接続、ゲート・ソース間電圧を一定値に設定しドレイン・ソース間電圧を変化させてドレイン電流の変化を記録、V_DS－I_D特性をプロットします。
この実験では電圧計を2台、電流計を1台使用します。


図3　学生実験での静特性測定方法

この実験はかなり手間のかかる作業になりますが、より簡単な方法も考えられます。

ソースメータは図4のように内部に直流定電圧源、定電流源を持ち、接続した負荷に加わる電圧と電流を測定できます。


図4　ソースメータの構造

2チャンネルのソースメータを図5のように使用することでトランジスタの静特性を測定できます。ただし、ソースメータの出力できる電圧、流せる電流には限りがあります。


図5　ソースメータによる静特性測定方法

複数の計測器を使用することで測定範囲を拡大できます。図6のように、2チャンネルのファンクション・ジェネレータより同期した階段波とノコギリ波が発生します。階段波をV_GS、ノコギリ波を直流電源の外部コントロール端子に接続し、ドレイン・ソース間に接続した直流電源の出力をコントロールします。

適切な電源容量の直流電源を用いることで、トランジスタを十分にドライブできます。ドレイン・ソース間電圧をオシロスコープの電圧プローブで、ドレイン電流を電流プローブで取り込み、X-Y表示を行う、または波形データをExcelなどで表示できます。


図6　汎用計測器によるトランジスタの静特性測定

図6の機能を1台にまとめた専用機が半導体カーブトレーサです。写真1はその代表的な製品です。


写真1　代表的な半導体カーブトレーサ

カーブトレーサでは多くの製品が十分なドレイン電流を確保するために、ドレイン・ソース間電圧源（バイポーラ・トランジスタではコレクタ－エミッタ間電圧）として商用電源を全波整流して使用しています。
商用電源の周波数に同期して動作するステップ・ジェネレータはゲートに加える電圧（バイポーラ・トランジスタでは電流）を発生します。


図7半導体カーブトレーサの構造　

動作タイミングは図7のようになり、1ステップ毎にドレイン・ソース間電圧をスイングさせてドレイン電流を測定します。


図８　通常の動作

しかし、ドレイン電流が大きくなると、トランジスタ内部で発生する熱量も比例して大きくなり、トランジスタの動作が変化してしまいます。これでは正確な測定は困難です。

そのため図8のようにステップ・ジェネレータの出力を階段波ではなく、幅の狭いパルスにするモードに切り替えます。これによりドレイン電流の流れる時間はわずかになり、発熱を抑えることができます。


図9　パルス・モードによる静特性測定

最近のパワーデバイスはますます高電圧化、大電流化しています。写真2のように対応した専用計測器も用意されています。

写真2　代表的なパワーデバイス・アナライザ