VDMOS雪崩耐量參數(shù)測試技術(shù)研究*

喬文霞 黃 偉

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

采用DMOS工藝的VMOS最初稱為VDMOS（Vertical Double-diffused MOSFET，垂直溝道，雙擴(kuò)散MOSFET），這是直到目前仍然是絕對主流的功率MOSFET品種。近幾年使用的VDMOS型號越來越多，特別是在重大軍工項(xiàng)目中都有廣泛的應(yīng)用，全面客觀地測試其性能特性變得尤為迫切。但國內(nèi)由于測試設(shè)備的限制，目前關(guān)于VDMOS動(dòng)態(tài)參數(shù)測試領(lǐng)域仍舊處于起步階段。

2 VDMOS雪崩耐量參數(shù)測試

2.1 VDMOS特殊參數(shù)

一款VDMOS器件其動(dòng)態(tài)參數(shù)則是衡量該器件工作在高頻或開關(guān)狀態(tài)下的重要指標(biāo)，是器件研發(fā)階段和使用階段重點(diǎn)關(guān)注的特殊參數(shù)。

由于VDMOS結(jié)構(gòu)特性，大電流工作特性導(dǎo)致寄生電容、寄生電阻、體二極管等對器件性能的影響尤為突出。雪崩耐量則是反映器件在感性負(fù)載特性下的耐受能量沖擊特性；結(jié)電容反映了器件在工作狀態(tài)的充放電過程和特性；開關(guān)時(shí)間反映器件的高頻工作特性，對器件的開關(guān)功耗和頻率特性有直接關(guān)系；反向恢復(fù)時(shí)間是貯存在器件內(nèi)的大量少子在被抽取過程，發(fā)射結(jié)內(nèi)建電勢降低的過程，這些參數(shù)優(yōu)劣對器件的性能有著至關(guān)重要的影響。

本文重點(diǎn)分享了在VDMOS雪崩耐量測試過程中的技術(shù)難點(diǎn)和解決思路。表1是某VDMOS器件動(dòng)態(tài)參數(shù)表。

表1 某VDMOS動(dòng)態(tài)參數(shù)表

2.2 雪崩耐量的測試

在待測VDMOS器件的漏極和電源的正極之間加特定值的電感，當(dāng)VDMOS導(dǎo)通時(shí)電感充電，當(dāng)VDMOS關(guān)斷時(shí)電感放電。因?yàn)槊恳粋€(gè)VDMOS器件都有一個(gè)額定的反向最大電壓，超過這個(gè)額定的最大反向電壓時(shí)，器件會發(fā)熱甚至損毀。雪崩耐量的測試是指感性負(fù)載在發(fā)生斷路時(shí)引起的高壓將器件擊穿之后，存儲在電感中的能量流經(jīng)器件時(shí)，器件所能承受的最大能量。

2.2.1 測試原理分析

依美軍標(biāo)MIL-STD－750E方法3470之標(biāo)準(zhǔn)其雪崩能量測試電路如圖1。

圖1 美軍標(biāo)MIL-STD-750E方法3470雪崩能量測試電路

其相應(yīng)波形如下：

現(xiàn)在根據(jù)測試電路（圖1）和波形響應(yīng)（圖2）計(jì)算單脈沖雪崩能量EAS。

圖2 雪崩測試波形

為t的線性函數(shù)：

發(fā)生雪崩時(shí)：

將帶入：

Ia為雪崩電流。在測試過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOS管導(dǎo)通的時(shí)間增加，然后關(guān)斷，直到功率MOSFET損壞，對應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。

BVDSS為雪崩擊穿電壓。

下面根據(jù)器件的詳細(xì)規(guī)范來分析計(jì)算單脈沖雪崩能量EAS這一參數(shù)。通過下面公式計(jì)算得出器件最大雪崩能量。

2.2.2 測試難點(diǎn)分析及解決思路

根據(jù)式（1）可以看出，當(dāng)BVDSS＞VDD時(shí)，EAS＞0；當(dāng)BVDSS＜VDD時(shí)，EAS＜0，該器件就會雪崩擊穿。從波形中可以看出VDD電壓始終參與能量的釋放，那么就會帶來以下的問題。

1）如果VDD一直加在能量釋放環(huán)路中，器件如果短路壞掉，環(huán)路中的電流就會無限變大。即便在電路中加入過流保護(hù)，也存在有燒毀設(shè)備的隱患。

2）當(dāng)VDD參與能量的釋放的話，一旦VDD發(fā)生變化，器件受到的能量就會隨著VDD的電壓變化而變化。

3）根據(jù)式（1）可看出，當(dāng)施加的VDD值趨近于或大于BVDSS值時(shí)，定會發(fā)生雪崩擊穿，把器件打壞。

為了解決以上問題，經(jīng)過分析，在柵驅(qū)動(dòng)電壓斷開的同時(shí)，通過加入一個(gè)高速開關(guān)將VDD斷開。這樣既可以保證VDD不參與能量的釋放，也可以將VDD電壓設(shè)任意值，并且可以設(shè)很高，即使VDD的設(shè)定高于BVDSS也不會把器件打壞，這樣可充入電感的能量可以很大。

同時(shí)，假如一個(gè)器件其BVDSS=30V，ID=100A，如果使用VDD只能小于BVDSS的電路來測試的話不可能測試出來，因?yàn)樾∮?0V的VDD電壓不可能提供這么大的能量，但如果在測試回路中加入高速開關(guān)就能很好解決這些問題。

高速開關(guān)的選擇：如何選擇合適的高速開關(guān)既能有效的切換VDD又不對測試結(jié)果帶來影響？

方案1：電磁繼電器，電磁繼電器常用于電子線路中負(fù)載切換，器件也容易獲得，但是電磁繼電器開關(guān)速度毫秒級，VDMOS器件的開關(guān)速度在微妙級以上，另外電磁繼電器長時(shí)間在大電流下工作觸點(diǎn)容易起弧，性能會下降。所以此方案不合適。

方案2：固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器電流范圍大，開關(guān)速度比較快，開關(guān)速度在微妙級甚至納秒級，長時(shí)間工作不存在觸點(diǎn)起弧的機(jī)理，所以此方案可選但固態(tài)繼電器控制較難實(shí)現(xiàn)。

方案3：VDMOS器件，電流能力強(qiáng)，開關(guān)速度較快，便于控制，可以與被測器件實(shí)現(xiàn)同步柵脈沖控制，有成熟的測試線路可借鑒，實(shí)施難度小。

方案實(shí)施：高速開關(guān)選定后對測試線路進(jìn)行了改造，在雪崩耐量的測試回路中增加VDMOS器件作為高速開關(guān)［3］。增加高頻開關(guān)的線路圖見圖3。

圖3 雪崩耐量測試線路圖

結(jié)論驗(yàn)證：方案實(shí)施后選某型號VDMOS器件驗(yàn)證方案的有效性和對測試結(jié)果的影響。驗(yàn)證前后相同器件測試波形圖見圖4和圖5。

未加高速開關(guān)前的電流測試波形見圖4。

圖4 未加高速開關(guān)示波器捕獲的雪崩耐量波形

回路中增加了高速開關(guān)的測試波形見圖5。

圖5 增加高速開關(guān)示波器捕獲的雪崩耐量波形

從測試波形可以看出，改造前后對能量測試波形幾乎沒有影響，后續(xù)通過10多個(gè)批次器件的測試統(tǒng)計(jì)，未出現(xiàn)過以前的燒毀器件和雪崩擊穿器件的現(xiàn)象發(fā)生。

同時(shí)通過改造解決了低壓大電流器件測試時(shí)無法提供規(guī)定的測試能量問題，改造不但排除了雪崩耐量測試中潛在隱患同時(shí)又?jǐn)U展了設(shè)備的測試能力，很好地解決了低壓大電流器件的雪崩耐量測試問題。

3 結(jié)語

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體技術(shù)也得到了長足發(fā)展，特別是以柵控功率器件與智能功率集成電路為代表的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)得到了迅速發(fā)展，進(jìn)而極大地推動(dòng)了電子技術(shù)的進(jìn)步。但同時(shí)，對于此類器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)的測試研究沒有足夠的文獻(xiàn)參考，本文旨在通過在對VDMOS動(dòng)態(tài)參數(shù)雪崩耐量的測試方案的研究，為設(shè)計(jì)和使用提供可借鑒的測試方法。以及對將來測試儀器的國產(chǎn)化提供理論而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。