功率MOSFET管結(jié)電容測(cè)試條件研究

李飛 常婷婷

摘要：MOSFET的寄生電容是決定動(dòng)態(tài)參數(shù)的根本原因，能否準(zhǔn)確測(cè)得各級(jí)間電容值對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用有至關(guān)重要的意義。通過(guò)對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的MOSFET進(jìn)行電容測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電容與測(cè)試頻率、電壓的變化趨勢(shì)，制定合理的電容測(cè)試的方法。

關(guān)鍵字：結(jié)電容、反向傳輸電容、特征頻率、負(fù)電容效應(yīng)

引言

所有功率半導(dǎo)體的核心基于PN結(jié)設(shè)計(jì)制造的，當(dāng)N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合后，在結(jié)合面處的兩側(cè)形成空間電荷區(qū)，也稱為耗盡層，當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓變化的時(shí)候，PN結(jié)的空間電荷區(qū)的電荷也發(fā)生改變。在MOSFET器件實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，怎樣選擇合適的測(cè)試條件得到合理的結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用使結(jié)電容測(cè)試更有意義。

1寄生電容位置

功率MOSFET器件有四種常用的結(jié)構(gòu)，分別是：平面結(jié)構(gòu)、普通溝槽結(jié)構(gòu)、超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)、屏蔽柵結(jié)構(gòu)。以最常用的平面工藝生產(chǎn)的溝槽結(jié)構(gòu)為例。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)其內(nèi)部有三個(gè)內(nèi)在的寄生電容：Gata和Source的電容CGS;Gata和Drain的電容CGD，也稱為反向傳輸電容、米勒電容，Crss;Drain和Source的電容CDS。

2現(xiàn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)電容測(cè)試根據(jù)GB/T 4586-1994 半導(dǎo)體器件 分立器件 第8部分：場(chǎng)效應(yīng)晶體管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)方法使用LCR電橋進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)試儀采用四端對(duì)測(cè)量。四端對(duì)測(cè)量方法在進(jìn)行低阻抗和高阻抗測(cè)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。外屏蔽導(dǎo)體作為測(cè)試信號(hào)電流（此電流沒(méi)有接地）的返回路徑。相同的電流流入中心導(dǎo)體和外部屏蔽導(dǎo)體（以相反的方向），但在導(dǎo)體的周圍不會(huì)產(chǎn)生外磁場(chǎng)（由內(nèi)部電流和外部電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全彼此抵消）。由于測(cè)試信號(hào)電流不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，所以測(cè)試引線不會(huì)帶來(lái)由單根引線之間的自感或引起的附加誤差。

反向傳輸電容：Crss=CGD，MOSFET器件的寄生電容的測(cè)試條件行業(yè)一般規(guī)定為：VGS=0，VDS=BVDSS/2，f=1MHz，就是使用的測(cè)量電壓為額定電壓的一半，但是大多數(shù)廠家按VDS=25V電壓測(cè)試。

3電容的特征頻率

就場(chǎng)效應(yīng)管自身而言，MOSFET器件電容的等效電路是由C，L，R，組成，宏觀的可以看成一個(gè)系統(tǒng)。因此，存在系統(tǒng)電磁兼容有諧振頻率，故就有了自諧振頻率值。

MOSFET器件的寄生電容的容值和自諧振頻率是芯片材料（包括電阻率、摻雜）與芯片構(gòu)造所決定的。自諧振頻率與電容的容值成反比關(guān)系。因自諧振頻率區(qū)的容抗是最大的，做為濾波的電容應(yīng)避開自諧振頻率段。但容值與頻率成反比，而容抗與容值成正比[N1]。在諧振頻率之前， 電容還保持著電容的特性， 而大于諧振頻率時(shí)，由于芯片版圖及鍵合線長(zhǎng)度和導(dǎo)線電感的影響， 電容的作用將變成電感的作用。? ? ? 公式1，根據(jù)公式1可以計(jì)算系統(tǒng)的阻抗，如果把單只MOSFET看成一個(gè)體統(tǒng)時(shí)，此公式同樣適用。當(dāng)公式1由于頻率f的大小改變，直接影響系統(tǒng)或器件測(cè)試的結(jié)果。當(dāng)f變化使，則系統(tǒng)為“感性負(fù)載”;小于零則系統(tǒng)為 “容性負(fù)載”;等于零則系統(tǒng)為 “阻性負(fù)載”。f為系統(tǒng)的諧振頻率，在MOFET器件的寄生電容測(cè)試中為器件測(cè)試的自諧振頻率點(diǎn)。

MOSFET的電容都是非線性的變化的，是直流偏置電壓的函數(shù)。所有的MOSFET的寄生電容來(lái)源于偏置的氧化物電容和依賴于偏置的硅耗盡層電容的組合。由于器件里的耗盡層受到了電壓影響，電容CGS和CGD隨著所加電壓的變化而變化。電容隨著VDS電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。當(dāng)電壓增加時(shí)，和VDS相關(guān)電容的減小來(lái)源于耗盡層電容減小，耗盡層區(qū)域擴(kuò)大。然而相對(duì)于CGD，CGS受電壓的影響非常小，CGD受電壓影響程度是CGS的100倍以上。

在MOFET器件的寄生電容測(cè)試中VDS的電壓越大電容測(cè)量結(jié)果越小，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)器件BVDSS電壓及工作環(huán)境確定即可。目前僅剩下測(cè)試頻率的選擇，選擇一個(gè)合適的頻率點(diǎn)是測(cè)試的關(guān)鍵所在。

4不同結(jié)構(gòu)測(cè)試

本文對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的功率MOSFET器件進(jìn)行，變化頻率進(jìn)行研究。表2是試驗(yàn)樣品的詳細(xì)情況[N5]。

本文選取表2內(nèi)的五種樣品各一只進(jìn)行寄生電容測(cè)試。由于Ciss、Coss電容是兩個(gè)部位容值之和，再者器件容量的變化主要取決于柵極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝。本測(cè)試僅對(duì)Crss（G端與D端容值）容值在固定VDS電壓下改變頻率進(jìn)行測(cè)試分析。

使用器件生產(chǎn)廠家給出結(jié)電容測(cè)試電壓VDS=25V、頻率從1KHz起步每次步進(jìn)2KHz直至廠家規(guī)定的1MHz進(jìn)行測(cè)試，每只器件測(cè)試5次求得算數(shù)平均值作為最終的測(cè)試結(jié)果。本結(jié)果使用日本JUNO公司生產(chǎn)的TDS-2000自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電容測(cè)試模塊為安捷倫LCR測(cè)試儀E4980A，該儀器通過(guò)第三方校準(zhǔn)。

WVM7N60代表的普通VD MOSFET與LSC65R380HT代表的高壓超級(jí)結(jié) MOSFET器件的CRSS隨頻率變化曲線基本相似，走勢(shì)隨頻率的增加頻率緩慢下降。原因是這兩種結(jié)構(gòu)的芯片柵極結(jié)構(gòu)完全一樣，因此得出柵漏寄生電容隨頻率變化一致。

WVM110N06和IRFP250器件是不同廠家的普通 Trench結(jié)構(gòu)。CRSS隨頻率變化曲線基本相似，走勢(shì)隨頻率的增加容值都有一個(gè)迅速下降的臺(tái)階，過(guò)了快速下降的頻率點(diǎn)后容值隨頻率增加而緩慢下降。原因是這種溝槽柵設(shè)計(jì)使得柵表面積過(guò)大而引起容值大于其他結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)溝都有固定頻率在測(cè)試頻率未超過(guò)固定頻率時(shí)容值隨頻率變大而緩慢減小，在測(cè)試頻率為固定頻率時(shí)，容值斷崖式下降，之后緩慢下降。

對(duì)LNB10R040W3器件代表的分裂柵Trench結(jié)構(gòu)使用VDS=50V和VDS=25V兩種電壓進(jìn)行改變頻率測(cè)試。兩種電壓下的測(cè)試結(jié)果變化曲線基本相似，容值較普通Trench結(jié)果較小。分裂柵結(jié)構(gòu)就是為了減小普通Trench的容值在柵極下部埋入了一塊與源極連接的一塊多晶硅來(lái)減小器面積從而降低寄生電容，因此該結(jié)構(gòu)在測(cè)試時(shí)，當(dāng)測(cè)試頻率增加到自諧振頻率附近時(shí)寄生電容迅速表達(dá)接下來(lái)在迅速轉(zhuǎn)變方向成為負(fù)電容且最大也就產(chǎn)生負(fù)電容效應(yīng)。接下來(lái)，在頻率繼續(xù)變大時(shí)負(fù)電容緩慢向零靠近。在VDS=50V相同頻率點(diǎn)測(cè)得容值要比VDS=25V相同頻率點(diǎn)下的容值都小，且自諧振頻率也小。

結(jié)論

在MOSFET器件的寄生電容測(cè)試時(shí)，測(cè)試容值隨測(cè)試電壓增加而減小，因此建議業(yè)內(nèi)都統(tǒng)一定位為VDS=25V，可以橫縱評(píng)定不同器件寄生電容的統(tǒng)一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試頻率不能所有MOSFET器件一概而論，測(cè)試頻率都定為1MHz。不同結(jié)構(gòu)的MOSFET器件在測(cè)試電容時(shí)，測(cè)試頻率要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)確定，普通VD MOSFET與超級(jí)結(jié) MOSFET可以選擇1MHz作為測(cè)試頻率點(diǎn)。普通 Trench測(cè)試頻率一定要高于容值快速下降的頻率點(diǎn)，也可選擇1MHz作為測(cè)試頻率點(diǎn)。分裂柵Trench器件測(cè)試頻率一定要小于自諧振頻率點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[N1]GBT 4586-1994 半導(dǎo)體器件 分立器件 第8部分：場(chǎng)效應(yīng)晶體管

[N2] E4980A Precision LCR Meter Data Sheet 5989-4435EN