MOS器件动态参数测试方法研究

蔡建荣 罗俊 邱忠文 赵茂霖

（中国电子科技集团公司第二十四研究所 重庆市 400060）

1 引言

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是金属-氧化层-半导体场效应晶体管的简称，中文简称MOS 器件，是一种典型的半导体功率器件。随着半导体技术的不断进步，MOS器件性能提升明显，应用日益广泛。电源控制和电源转换是MOS器件大量使用的一个重要领域，在这类应用中，MOS 器件通常作为开关使用，而其动态参数是非常关键的参数，直接影响到应用电路的可靠性。因此，动态参数准确测量成为MOS 器件参数测试的重点。

但以往的测试大多受于认识层面和测试仪器设备的限制，往往对这些器件只进行了击穿电压、开启电压、漏电流等静态参数的测试。另外由于测试方法也不统一，所以在动态测试方面往往成为了空白。本课题针对MOS 器件的动态参数，采用美国ITC 公司制造的57300 动态参数测试仪进测试分析，以期待对MOS 器件的动态参数测试有一个较为全面的认识。

2 MOS器件动态参数分类

对大量国外的MOS 器件的PDF 进行分析，我们将MOS 器件的动态参数归类如下：

时间参数：

（1）td(on)：导通延迟时间(Turn on delay time)。

（2）tr：电流上升时间(Current Rise Time)。

（3）Ton：导通时间(Turn-on Time)ton 是定义为导通延迟时间td(on)和上升时间tr 之总和。

（4）Td(off)：截止延迟时间(Turn-off delay time tdoff)。

（5）Tf：下降时间(Fall Time tf)。

（6）Toff：截止时间，toff 是定义为截止延迟时间与下降时间tf 之总和。

栅电荷参数：

（7）Qg：栅极电荷，Qgs：栅源充电电量，Qgd：栅漏充电电量。

反向二极管参数：

（8）Trr：二极管反向恢复时间。

（9）Qrr：二极管反向恢复充电电量。

（10）di/dt：二极管反向恢复时电流变化率。

dv/dt：二极管反向恢复时电压变化率。

3 MOS器件开关时间参数测试方案

MOS 器件一般为单极型器件，靠多数载流子导电，因此开关速度较快，一般都在纳秒数量级。MOS 器件的时间参数主要用来反映输出信号与变化的输入信号之间的关系，它影响器件开关的整个过程。

开关时间参数测试时，延迟时间是一个主要的因素，延迟时间通常是由栅电容的充放电效应造成的。

MOSFET 器件的开关时间一般包括四个主要延迟时间，每个时间的定义如下：

图1：开关时间测试电路

图2：开关时间波形响应

图3：实测响应波形

图4：开关时间波形响应

图5：栅电荷测试线路图

Td(on)导通延迟时间:是指输入电压上升到其幅值10% 到VDS（器件源漏两端的压降）下降到其幅值 10% 的时间。

Tr 上升时间：是指VDS 从下降10% 到下降到其其幅值 90%的时间。

而导通时间（开启时间）为：Ton= Td(on)+Tr

Td(off)关断延迟时间：是指输入电压下降到其幅值10% 开始到 VDS上升到其关断电压10%的时间。

Tf 下降时间：是指输出电压VDS从导通压降10%到其幅值关断电压90% 的时间。

关断时间为：Toff=Td(off)+Tf

功率MOSFET 的开关时间测试电路如图1所示。

图6：二极管Trr/Qrr 的测试电路

图7：二极管Trr/Qrr 的测试电路与波形

其中，Vp 为产生驱动信号方波的脉冲信号源；RGEN为信号源内阻；RGS为栅极电阻，RL为漏极负载电阻。LDST为输出回路的寄生电感。

3.1 MOSFET的导通过程

当信号源产生的脉冲电压Vp 的上升沿到来时，由于MOSFET有输入电容，而输入电容会有一个充电过程，使得器件的栅极电压VGS按指数曲线上升。当VGS上升到开启电压Vth 时，MOS 电路形成导电沟道，出现漏极电流ID。

从Vp 前沿时刻到VGS=Vth，且开始出现ID的时刻，这段时间称为导通延时时间td(on)。此后，ID随VGS的上升而增大，VGS从开启电压Vth上升到 MOSFET 器件临近栅极饱和区电压VGSP这段时间，称为上升时间tr。而MOSFET 的导通时间为这两个时间的总和：

ton=td(on)+tr

3.2 MOSFET的关断过程

如图2所示，当Vp 信号源电压开始下降时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻RGEN和RGS放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到VGSP时继续下降，ID才开始减小，这段时间称为关断延时时间td(off)。此后，输入电容继续放电，VGS电压继续下降，ID也继续下降到VGST时，导电沟道消失，这是器件的ID变为0，这段时间称为下降时间tf。而MOSFET 的关断时间为这两段时间之和：

toff=td(off)+tf

图3 为实测中用示波器捕获的时间响应波形。

说明：

CH1 曲线为栅极VG 电压驱动波形。

CH2 曲线为漏极/集电极VD/VC 电压响应波形，有延时。

4 MOS器件栅电荷测试方案

栅电荷也是MOSFET 的重要动态参数之一。由于MOSFET 是电压驱动型器件,驱动的过程就是栅极电压的建立过程，而这是通过对栅源及栅漏之间的寄生电容充电来实现的。如图4所示。

Qg:栅极电荷。

Qgs:栅源充电电量。

Qgd:栅漏充电电量。

以下是各时间段的分析：

t0-t1:栅压从0 上升到Vg(th),此时漏极电流开始上升,此点的电荷为qgth。t1-t2:ID 从0 达到饱和，器件完全导通，漏极电压开始下降，从t0 到t2 时间段也就是从电荷开始到第一个拐点处为Qgs，此点的输入电压为VGp。

t2-t3:漏极电压从VDD下降到接近于0V 也就是从第一个拐点到第二个拐点之间部分，此段为 Qgd，也称为“米勒”电荷。

输入电压从0 点到Vgs 等于一个特定的峰值驱动电压时的电荷量 Qg。如图5所示。

5 反向恢复参数trr/Qrr

如图6所示，反向恢复参数trr/Qrr 主要是由于寄生的续流二极管产生的，测试电路主要由驱动管1 和待测管2 组成。测试电路的外加电压是驱动管耐压的80%。在外加电压的情况下，信号输送部分发出的双脉冲经过驱动电路放大驱动功率送到驱动管1，当第一个脉冲到驱动管时，管1 导通，电感开始充电。第一个脉冲过去后，管1 关断，电感放电，电流由管2 的射极流向集电极，与电感形成回路。此段时间为第二个脉冲和第一个脉冲之间的延时时间。根据不同的测试器件，该延时时间可调。当第二个脉冲到来时，管1 导通，电感重新开始充电。管2 内的二极管两端由正向偏置转换为反向偏置，该二极管不能立即关断，需要经过一段暂短的时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态。并在关断前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。这是因为正向导通时在PN 结两侧储存的大量少子需要被清除掉以达到反向偏置稳态的缘故。

下面为IR 公司某器件的规格书给出的Trr/Qrr 即反向恢复参数的测试电路及波形，如图7所示。

6 结束语

本课题主要探讨了MOS 器件在测试动态参数的一点心得和测试结果，改进现有的MOS器件动态参数检测技术，增加和优化相应的器件封装测试模块，从而达到提高MOS 器件测试质量，减少测试造成的质量隐患，同时提高器件的测试效率。