功率MOSFET器件柵電荷測試與分析

張文濤,皓月蘭(中國電子科技集團(tuán)公司第47研究所,沈陽110032)

功率MOSFET器件柵電荷測試與分析

張文濤,皓月蘭
(中國電子科技集團(tuán)公司第47研究所,沈陽110032)

柵電荷是表征功率MOSFET器件動態(tài)特性的重要參數(shù)之一,其測試結(jié)果與時(shí)間和頻率有關(guān),受分布參數(shù)、測試夾具和電路結(jié)構(gòu)等因素影響較大.其參數(shù)直接影響器件整體性能,設(shè)計(jì)不好將導(dǎo)致器件沒使用時(shí)已擊穿甚至損壞,在軍用功率MOSFET器件研制生產(chǎn)和使用驗(yàn)收中列為必測參數(shù).隨著對MOSFET器件可靠性要求的不斷提高,柵電荷的測試重要性凸顯.針對目前國內(nèi)外柵電荷測試現(xiàn)狀及存在的問題做了詳盡闡述,為國內(nèi)的柵電荷測試提供一定的參考和指導(dǎo).

場效應(yīng)晶體管;柵電荷;測試;可靠性

1　柵電荷測試現(xiàn)狀及存在問題

功率MOSFET是功率半導(dǎo)體應(yīng)用中的主要器件,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、電源、汽車電子及手機(jī)等領(lǐng)域.柵電荷是表征功率MOSFET器件動態(tài)特性的重要參數(shù)之一,而柵電荷的測量對激勵源和測試電路的要求較高.國外在功率MOSFET器件柵電荷測試方面開展的研究遠(yuǎn)比我國早,美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-750F《半導(dǎo)體器件測試方法》3471.3和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD24-2中對柵電荷參數(shù)的定義和測試方法進(jìn)行了規(guī)定,而我國現(xiàn)行GJB128A-1997、GJB548B-2005以及GB/T4586-1994等標(biāo)準(zhǔn)中均沒有關(guān)于柵電荷測試方法的規(guī)定.

2　功率MOSFET器件柵電荷測試參數(shù)定義

柵電荷由3個參數(shù)構(gòu)成:Qg是柵極總電荷,Qgs是柵源電荷,Qgd是柵漏電荷.柵電荷測試各部分定義見表1,柵電荷波形圖見圖1.

表1　功率MOSFET柵電荷測試參數(shù)定義

圖1　柵電荷基本測試波形

圖2　柵電荷測量電路

3　功率MOSFET器件柵電荷基本測量電路和工作原理

柵電荷測試是在恒定柵極驅(qū)動電流下測量柵-源電壓響應(yīng),通過恒定的柵極電流可以依比例得出柵-源電壓、時(shí)間函數(shù)、電荷量函數(shù)的比值.柵-源電壓的波形是非線性的,所生成的響應(yīng)斜率可以反映出器件的有效電容(Cg=dQg/dVGS)值在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間是變化的.下面提供了具體、詳細(xì)的柵電荷測量電路,如圖2所示.

測試方法是柵電壓作為柵電荷單調(diào)函數(shù)的一種方法,電荷或電容已在各個柵電壓點(diǎn)明確規(guī)定.柵電壓保證器件已很好地處于"開"態(tài),測量具有重復(fù)性.對于給定的器件,這些電壓點(diǎn)的柵電荷獨(dú)立于漏極電流,且為"關(guān)"態(tài)電壓的弱函數(shù).

4　柵電荷測試數(shù)據(jù)對比

國內(nèi)進(jìn)行柵電荷測試的主要設(shè)備供應(yīng)商有美國ITC公司、日本TESEC、中國厲芯泰斯特.使用不同公司的測試系統(tǒng)進(jìn)行柵電荷測試,其結(jié)果有一定差異.用穩(wěn)定性較好的功率MOSFET器件組在相同測試條件下對柵電荷進(jìn)行總體測試,測試結(jié)果能綜合反映測試系統(tǒng)和測試方法對測試結(jié)果的重要性.因此我們分別采用美國ITC公司的57300型測試系統(tǒng)和厲芯泰斯特LX9600型測試系統(tǒng)對功率MOSFET器件IRF350和IRFF330這兩個品種的樣片進(jìn)行柵電荷的測量.通過施加相同的測試條件,進(jìn)行柵電荷測試數(shù)據(jù)比對,對不同測試系統(tǒng)測試結(jié)果的一致性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.其測試結(jié)果見表2和表3.

表2　IRF350柵電荷測試數(shù)據(jù)對比

表3　IRFF330柵電荷測試數(shù)據(jù)對比

通過以上數(shù)據(jù)對比可以很明顯地看到,雖然兩臺測試系統(tǒng)的結(jié)果都滿足技術(shù)手冊中的測試要求,但是在部分參數(shù)的測試數(shù)據(jù)上還存在著一定的偏差,我們對引起數(shù)據(jù)差異的原因進(jìn)行了技術(shù)分析,歸納起來主要有以下幾點(diǎn):

(1)柵電荷測試屬于動態(tài)參數(shù)測試,與時(shí)間有關(guān),柵電荷測試是時(shí)間與電流乘積的結(jié)果,因此與時(shí)間測量單元,即數(shù)字示波器的技術(shù)指標(biāo)如帶寬、掃描時(shí)間的設(shè)置,以及示波器探頭的參數(shù)如輸入阻抗和電容引入的影響有關(guān).

(2)國內(nèi)外柵電荷測試系統(tǒng)均采用了自動數(shù)據(jù)采集,在算法上有一定差異.比如在圖形拐點(diǎn)的計(jì)算、波形斜率的計(jì)算、測試點(diǎn)的選取和數(shù)據(jù)采集等方面有一些差異,會引起柵電荷測試結(jié)果的差異.

(3)不同測試系統(tǒng)施加的偏置條件如柵極電壓、柵極電流、漏極電壓等準(zhǔn)確與否,也是導(dǎo)致柵電荷測試結(jié)果有差異的一個因素.

(4)其他因素:如測試適配器的設(shè)計(jì)、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、測試連接等方面都是引起柵電荷測試結(jié)果差異的原因.

5　小結(jié)

功率MOSFET器件的柵電荷測試一直是困擾用戶的一個問題,以前國內(nèi)生產(chǎn)廠商不進(jìn)行柵電荷的測試,但是隨著對器件可靠性要求的不斷提高,如今制造商在產(chǎn)品技術(shù)手冊中,也給出了關(guān)于柵電荷參數(shù)的測試電路及波形,柵電荷測試變得至關(guān)重要.因此需要在國軍標(biāo)中制定關(guān)于MOSFET器件柵電荷的測試方法.鑒于國內(nèi)鮮有單位從事相關(guān)方面研究,為了更好地保障產(chǎn)品可靠性,本文就柵電荷測試做了拋磚引玉的簡要介紹,具體還要結(jié)合實(shí)際情況來具體分析.

[1]吳志猛,馮全源.用于功率MOSFET的新型柵電荷測試電路[J].半導(dǎo)體技術(shù),2012,37(3):231-234.

[2]褚華斌,鐘小剛,吳志偉,等.功率MOSFET的研究與進(jìn)展[J].半導(dǎo)體技術(shù),2011,36(3):363-367.

[3]張為佐.功率MOSFET發(fā)展及其淺說[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2000,1(2):18-21.

[4]衡草飛,向軍利,李肇基,等.Power MOSFET柵電荷分析及改進(jìn)[J].電子質(zhì)量,2004,9:59-61.

張文濤(1983-),遼寧省凌源縣人,畢業(yè)于沈陽工程學(xué)院,現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,主要研究方向?yàn)樵骷y試.

Test and Analysis of Gate Charge in MOSFET

ZHANG Wentao,HAO Yuelan
(China Electronics Technology Group Corporation No.47 Research Institute,Shenyang 110032,China)

Gate charge is one of the most important parameters of MOSFET.The test result of gate charge is mainly subject to time and frequency,and may be affected by distributed parameters,sockets and configurations.The gate charge reflects the overall performance of the component and is a required item in testing military MOSFET components.The increasing strictness of reliability requirements of MOSFET components bring new challenge to gate charge test.The article introduces the present situation and existing problems in gate charge test in the world.

MOSFET;gate charge;test;reliability

TN307

A

1681-1070(2016)06-0021-03

2016-3-3