功率MOSFET器件栅电荷测试与分析

张文涛,皓月兰(中国电子科技集团公司第47研究所,沈阳110032)

功率MOSFET器件栅电荷测试与分析

张文涛,皓月兰
(中国电子科技集团公司第47研究所,沈阳110032)

栅电荷是表征功率MOSFET器件动态特性的重要参数之一,其测试结果与时间和频率有关,受分布参数、测试夹具和电路结构等因素影响较大.其参数直接影响器件整体性能,设计不好将导致器件没使用时已击穿甚至损坏,在军用功率MOSFET器件研制生产和使用验收中列为必测参数.随着对MOSFET器件可靠性要求的不断提高,栅电荷的测试重要性凸显.针对目前国内外栅电荷测试现状及存在的问题做了详尽阐述,为国内的栅电荷测试提供一定的参考和指导.

场效应晶体管;栅电荷;测试;可靠性

1　栅电荷测试现状及存在问题

功率MOSFET是功率半导体应用中的主要器件,广泛应用于计算机外设、电源、汽车电子及手机等领域.栅电荷是表征功率MOSFET器件动态特性的重要参数之一,而栅电荷的测量对激励源和测试电路的要求较高.国外在功率MOSFET器件栅电荷测试方面开展的研究远比我国早,美国军用标准MIL-STD-750F《半导体器件测试方法》3471.3和JEDEC标准JESD24-2中对栅电荷参数的定义和测试方法进行了规定,而我国现行GJB128A-1997、GJB548B-2005以及GB/T4586-1994等标准中均没有关于栅电荷测试方法的规定.

2　功率MOSFET器件栅电荷测试参数定义

栅电荷由3个参数构成:Qg是栅极总电荷,Qgs是栅源电荷,Qgd是栅漏电荷.栅电荷测试各部分定义见表1,栅电荷波形图见图1.

表1　功率MOSFET栅电荷测试参数定义

图1　栅电荷基本测试波形

图2　栅电荷测量电路

3　功率MOSFET器件栅电荷基本测量电路和工作原理

栅电荷测试是在恒定栅极驱动电流下测量栅-源电压响应,通过恒定的栅极电流可以依比例得出栅-源电压、时间函数、电荷量函数的比值.栅-源电压的波形是非线性的,所生成的响应斜率可以反映出器件的有效电容(Cg=dQg/dVGS)值在开关转换期间是变化的.下面提供了具体、详细的栅电荷测量电路,如图2所示.

测试方法是栅电压作为栅电荷单调函数的一种方法,电荷或电容已在各个栅电压点明确规定.栅电压保证器件已很好地处于"开"态,测量具有重复性.对于给定的器件,这些电压点的栅电荷独立于漏极电流,且为"关"态电压的弱函数.

4　栅电荷测试数据对比

国内进行栅电荷测试的主要设备供应商有美国ITC公司、日本TESEC、中国厉芯泰斯特.使用不同公司的测试系统进行栅电荷测试,其结果有一定差异.用稳定性较好的功率MOSFET器件组在相同测试条件下对栅电荷进行总体测试,测试结果能综合反映测试系统和测试方法对测试结果的重要性.因此我们分别采用美国ITC公司的57300型测试系统和厉芯泰斯特LX9600型测试系统对功率MOSFET器件IRF350和IRFF330这两个品种的样片进行栅电荷的测量.通过施加相同的测试条件,进行栅电荷测试数据比对,对不同测试系统测试结果的一致性进行统计和分析.其测试结果见表2和表3.

表2　IRF350栅电荷测试数据对比

表3　IRFF330栅电荷测试数据对比

通过以上数据对比可以很明显地看到,虽然两台测试系统的结果都满足技术手册中的测试要求,但是在部分参数的测试数据上还存在着一定的偏差,我们对引起数据差异的原因进行了技术分析,归纳起来主要有以下几点:

(1)栅电荷测试属于动态参数测试,与时间有关,栅电荷测试是时间与电流乘积的结果,因此与时间测量单元,即数字示波器的技术指标如带宽、扫描时间的设置,以及示波器探头的参数如输入阻抗和电容引入的影响有关.

(2)国内外栅电荷测试系统均采用了自动数据采集,在算法上有一定差异.比如在图形拐点的计算、波形斜率的计算、测试点的选取和数据采集等方面有一些差异,会引起栅电荷测试结果的差异.

(3)不同测试系统施加的偏置条件如栅极电压、栅极电流、漏极电压等准确与否,也是导致栅电荷测试结果有差异的一个因素.

(4)其他因素:如测试适配器的设计、内部电路结构、测试连接等方面都是引起栅电荷测试结果差异的原因.

5　小结

功率MOSFET器件的栅电荷测试一直是困扰用户的一个问题,以前国内生产厂商不进行栅电荷的测试,但是随着对器件可靠性要求的不断提高,如今制造商在产品技术手册中,也给出了关于栅电荷参数的测试电路及波形,栅电荷测试变得至关重要.因此需要在国军标中制定关于MOSFET器件栅电荷的测试方法.鉴于国内鲜有单位从事相关方面研究,为了更好地保障产品可靠性,本文就栅电荷测试做了抛砖引玉的简要介绍,具体还要结合实际情况来具体分析.

[1]吴志猛,冯全源.用于功率MOSFET的新型栅电荷测试电路[J].半导体技术,2012,37(3):231-234.

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[3]张为佐.功率MOSFET发展及其浅说[J].电源技术应用,2000,1(2):18-21.

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张文涛(1983-),辽宁省凌源县人,毕业于沈阳工程学院,现就职于中国电子科技集团公司第四十七研究所,主要研究方向为元器件测试.

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