基于JEDEC柵電荷測(cè)試方法測(cè)量MOSFET的柵電荷

功率MOSFET是一種在電源管理、信號(hào)處理、汽車(chē)電子和可再生能源系統(tǒng)等多種應(yīng)用中廣泛使用的高效半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。其器件的開(kāi)關(guān)速度受到內(nèi)部電容的影響，通常在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中以Ciss（輸入電容）和Coss（輸出電容）指出，它們?cè)醋杂谳斎氲臇艠O與漏極之間的電容Cgs和Cgd。除了這些電容參數(shù)之外，柵電荷（Qgs和Qgd）的測(cè)量也是評(píng)估MOSFET開(kāi)關(guān)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

在JEDEC JESD24-2標(biāo)準(zhǔn)“柵極電荷測(cè)試方法”中描述了一種測(cè)量MOSFET柵極電荷的方法。在這種方法中，將柵極到源極電壓作為時(shí)間的函數(shù)。由此產(chǎn)生的柵極電壓波形中，推導(dǎo)出柵極 - 源極電荷（Qgs）、柵極 - 漏極電荷（Qgd）和柵極電荷（Qg）。

4200A-SCS參數(shù)分析儀支持使用兩個(gè)源測(cè)量單元（SMU）儀器和系統(tǒng)中包含的柵電荷測(cè)量測(cè)試程序，可以在MOSFET上進(jìn)行柵電荷測(cè)量。該測(cè)試是4200A-SCS Clarius+軟件套件中提供的廣泛測(cè)試庫(kù)中包含的眾多測(cè)試之一。本應(yīng)用指南描述了如何使用4200A-SCS參數(shù)分析儀基于JEDEC柵電荷測(cè)試方法測(cè)量MOSFET的柵電荷。

柵電荷測(cè)量概述

在柵極電荷方法中，將固定測(cè)試電流（Ig）引入MOS晶體管的柵極，并且測(cè)量的柵極源電壓（Vgs）與流入柵極的電荷相對(duì)應(yīng)。對(duì)漏極端子施加一個(gè)固定的電壓偏置。圖1顯示了功率MOSFET的柵極電壓與柵極電荷的關(guān)系。

柵電荷(Q)由給柵極施加電流和時(shí)間（Igdt）提取得出。柵源電荷（Qgs）是所需要的電荷，如圖1所示，以達(dá)到飽和區(qū)域的開(kāi)始，在那里的電壓（Vgs）幾乎是恒定的。根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)（或Miller）電壓（Vpl）定義為dVgs/dt最小時(shí)的柵源電壓。電壓平臺(tái)是當(dāng)晶體管從OFF狀態(tài)切換到ON狀態(tài)時(shí)的區(qū)域。

完成這個(gè)開(kāi)關(guān)所需的柵電荷，即將器件從平臺(tái)區(qū)開(kāi)始切換到結(jié)束所需的電荷，被定義為柵漏電荷（Qgd），稱(chēng)為米勒電荷。柵電荷（Qg）是指從原點(diǎn)到柵源電壓（Vgs）等于指定最大值（VgsMax）的電荷。

圖1. 功率MOSFET的典型柵電壓與柵電荷

S1是線(xiàn)段從起點(diǎn)到第一個(gè)飽和電壓點(diǎn)的斜率。S2是線(xiàn)段從最后一個(gè)平臺(tái)點(diǎn)到指定的最大柵極電壓（VgsMax）的斜率。根據(jù)JESD24-2標(biāo)準(zhǔn)，用坡度計(jì)算Qgs和Qgd。

圖2顯示了典型的柵極和漏極波形作為時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)電流被迫進(jìn)入柵極時(shí)，Vgs增加，直到達(dá)到閾值電壓。此時(shí)，漏極電流（Id）開(kāi)始流動(dòng)。當(dāng)Cgs在t1時(shí)刻充電時(shí)，Id保持恒定，漏極電壓（Vd）減小。Vgs一直保持不變，直到它到達(dá)飽和電壓的末端。一旦 Cgd在時(shí)間t2被充電，柵極-源極電壓（Vgs）就會(huì)再次開(kāi)始增加，直到它達(dá)到指定的最大柵極電壓（VgsMax）。

圖2. MOSFET的Vgs 、Vd和Id與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)

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使用4200A-SCS進(jìn)行柵極電荷測(cè)量

4200A-SCS使用兩個(gè)SMU測(cè)量一個(gè)功率MOSFET的柵電荷。圖3顯示了柵極電荷測(cè)試的基本電路圖。一個(gè)SMU（SMU1）的Force HI端連接到MOSFET的柵端，施加?xùn)烹娏鳎↖g），并測(cè)量柵源電壓（Vgs）作為時(shí)間的函數(shù)。第二個(gè)SMU（SMU2）以指定的電流符合要求（Ids）對(duì)漏極施加固定電壓（Vds）。4200-SMU的最大限制電流為0.1A；4210-SMU的最大限制電流為1A。

在柵電荷測(cè)試中，柵電壓增加并打開(kāi)晶體管。在飽和區(qū)域的這個(gè)過(guò)渡期間，漏極SMU（SMU2）從電壓控制切換到電流控制模式，因?yàn)殡娏鞒^(guò)了指定的符合性水平。在從OFF狀態(tài)過(guò)渡到ON狀態(tài)期間，軟件返回漏極瞬態(tài)電流和漏極電壓。

MOSFET的源端子連接到4200A-SCS機(jī)箱的Force LO端子或GNDU。

圖3. 使用兩個(gè)SMU的柵極充電測(cè)試配置

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Clarius+軟件為柵電荷測(cè)試的配置

Gate Charge測(cè)試位于測(cè)試庫(kù)和項(xiàng)目庫(kù)中，可以通過(guò)搜索“Gate Charge”從選擇窗格中找到。在測(cè)試庫(kù)中找到測(cè)試后，就可以通過(guò)選擇并將其添加到項(xiàng)目樹(shù)來(lái)將其添加到項(xiàng)目中。此測(cè)試是由GateCharge用戶(hù)庫(kù)中的gate_charge用戶(hù)模塊創(chuàng)建的。

輸入?yún)?shù)

在執(zhí)行測(cè)試之前，在Clarius軟件的配置窗格中設(shè)置輸入?yún)?shù)（圖4）。輸入?yún)?shù)將根據(jù)設(shè)備和使用的SMU模型而有所不同。

表1列出了輸入?yún)?shù)的描述。首先，輸入連接到MOSFET的柵極（gate SMU）和漏極（Drain SMU）的SMU。源端子應(yīng)始終連接到GNDU，或 Force LO。

由柵極SMU施加進(jìn)入柵極的電流大小，是柵極電流（Ig）參數(shù)。漏極電壓（Vds）是施加到漏極上的偏置電壓，而LimitI是漏極SMU的限制電流。

該偏移參數(shù)用于校正偏移電容，在下面進(jìn)行描述。

表1. gate_charge用戶(hù)模塊的輸入?yún)?shù)

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圖4 . 柵極電荷測(cè)試的配置界面

修正偏移電容量

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的布線(xiàn)和連接，偏移電容可以在pF到數(shù)百pF范圍內(nèi)。這些電容可以通過(guò)開(kāi)路執(zhí)行g(shù)ate_charge用戶(hù)模塊來(lái)糾正，獲得偏移電容，然后在軟件中輸入偏移電容值進(jìn)行補(bǔ)償。以下是如何執(zhí)行這些步驟的方法：

1. 測(cè)量偏移電容。設(shè)置測(cè)試參數(shù)，包括輸入柵電流，設(shè)備已連接到SMU。然而，僅為Ceff測(cè)量增加VgsMax 。在執(zhí)行測(cè)試之前，提起探頭或從測(cè)試夾具上取下器件。在開(kāi)路時(shí)執(zhí)行柵極充電測(cè)試。

2. 獲得偏移電容。測(cè)試完成后，計(jì)算系統(tǒng)測(cè)量的測(cè)量偏移電容，并出現(xiàn)在表中的Ceff列中。Ceff由最大柵電壓、柵電流和時(shí)間提取。

由于在此步驟中測(cè)量了開(kāi)路，因此在執(zhí)行測(cè)試后，測(cè)試表中可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)試狀態(tài)值-9或-12。這是因?yàn)闆](méi)有測(cè)量任何設(shè)備，所以沒(méi)有飽和區(qū)域。但是，Ceff值是正確的，可以在“配置”視圖中作為C偏移量輸入。

3. 輸入測(cè)量的偏移電容并執(zhí)行。在“配置”界面中輸入測(cè)量的偏移電容Ceff。默認(rèn)情況下，偏移為0F。在后續(xù)讀數(shù)中對(duì)偏移電容進(jìn)行補(bǔ)償。

執(zhí)行測(cè)試

一旦輸入輸入?yún)?shù)，通過(guò)選擇屏幕頂部的運(yùn)行來(lái)執(zhí)行測(cè)試。當(dāng)測(cè)試運(yùn)行時(shí)，柵極電荷波形將在分析視圖中實(shí)時(shí)更新，計(jì)算出的輸出參數(shù)將出現(xiàn)在工作表中。

輸出參數(shù)

測(cè)試完成后，幾個(gè)參數(shù)將返回到工作表中。表2列出了這些參數(shù)的描述。

表2. gate_charge用戶(hù)模塊的輸出參數(shù)

圖形結(jié)果

柵極 - 源電壓可以繪制成柵極電荷的函數(shù)，或者漏極電流和漏極電壓可以繪制成時(shí)間的函數(shù)。圖5是由4200A-SCS測(cè)試的一個(gè)典型的柵極電壓波形。

圖5. 由4200A-SCS產(chǎn)生的典型柵極電壓波形

除了繪制Vgs，Vds和Id也可以繪制為柵極電荷或時(shí)間的函數(shù)。圖6顯示了Clarius軟件的分析界面的圖，顯示了所有三個(gè)參數(shù)被繪制為柵電荷的函數(shù)。在這種情況下，電壓被顯示在Y1軸上，而電流被繪制在Y2軸上。

圖6 . Vgs、Vds和Id作為柵極電荷的函數(shù)

檢查測(cè)試狀態(tài)

每次執(zhí)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試狀態(tài)值將返回到工作表中的第一列，名為“gate_charge”。表3列出了“gate_charge”列中返回的測(cè)試狀態(tài)值及其相應(yīng)的描述和注釋。

表3. 測(cè)試狀態(tài)值

總結(jié)

利用4200A-SCS參數(shù)分析儀可以方便地對(duì)晶體管進(jìn)行柵極電荷測(cè)量。使用連接到設(shè)備的柵極和漏極的兩個(gè)SMU儀器，Clarius軟件可以很容易地推導(dǎo)出柵極電荷波形。

審核編輯：黃飛

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