功率MOSFET管结电容测试条件研究

李飞 常婷婷

摘要：MOSFET的寄生电容是决定动态参数的根本原因，能否准确测得各级间电容值对生产应用有至关重要的意义。通过对四种不同结构的MOSFET进行电容测试，发现电容与测试频率、电压的变化趋势，制定合理的电容测试的方法。

关键字：结电容、反向传输电容、特征频率、负电容效应

引言

所有功率半导体的核心基于PN结设计制造的，当N型和P型半导体结合后，在结合面处的两侧形成空间电荷区，也称为耗尽层，当PN结两端的电压变化的时候，PN结的空间电荷区的电荷也发生改变。在MOSFET器件实际的生产和应用过程中，怎样选择合适的测试条件得到合理的结果指导生产应用使结电容测试更有意义。

1寄生电容位置

功率MOSFET器件有四种常用的结构，分别是：平面结构、普通沟槽结构、超级结结构、屏蔽栅结构。以最常用的平面工艺生产的沟槽结构为例。根据场效应管的结构其内部有三个内在的寄生电容：Gata和Source的电容CGS;Gata和Drain的电容CGD，也称为反向传输电容、米勒电容，Crss;Drain和Source的电容CDS。

2现行测试标准

功率场效应晶体管结电容测试根据GB/T 4586-1994 半导体器件 分立器件 第8部分：场效应晶体管标准中规定的方法进行。

标准方法使用LCR电桥进行测试，该测试仪采用四端对测量。四端对测量方法在进行低阻抗和高阻抗测量方面具有明显优势。外屏蔽导体作为测试信号电流（此电流没有接地）的返回路径。相同的电流流入中心导体和外部屏蔽导体（以相反的方向），但在导体的周围不会产生外磁场（由内部电流和外部电流产生的磁场完全彼此抵消）。由于测试信号电流不会产生感应磁场，所以测试引线不会带来由单根引线之间的自感或引起的附加误差。

反向传输电容：Crss=CGD，MOSFET器件的寄生电容的测试条件行业一般规定为：VGS=0，VDS=BVDSS/2，f=1MHz，就是使用的测量电压为额定电压的一半，但是大多数厂家按VDS=25V电压测试。

3电容的特征频率

就场效应管自身而言，MOSFET器件电容的等效电路是由C，L，R，组成，宏观的可以看成一个系统。因此，存在系统电磁兼容有谐振频率，故就有了自谐振频率值。

MOSFET器件的寄生电容的容值和自谐振频率是芯片材料（包括电阻率、掺杂）与芯片构造所决定的。自谐振频率与电容的容值成反比关系。因自谐振频率区的容抗是最大的，做为滤波的电容应避开自谐振频率段。但容值与频率成反比，而容抗与容值成正比[N1]。在谐振频率之前， 电容还保持着电容的特性， 而大于谐振频率时，由于芯片版图及键合线长度和导线电感的影响， 电容的作用将变成电感的作用。      公式1，根据公式1可以计算系统的阻抗，如果把单只MOSFET看成一个体统时，此公式同样适用。当公式1由于频率f的大小改变，直接影响系统或器件测试的结果。当f变化使，则系统为“感性负载”;小于零则系统为 “容性负载”;等于零则系统为 “阻性负载”。f为系统的谐振频率，在MOFET器件的寄生电容测试中为器件测试的自谐振频率点。

MOSFET的电容都是非线性的变化的，是直流偏置电压的函数。所有的MOSFET的寄生电容来源于偏置的氧化物电容和依赖于偏置的硅耗尽层电容的组合。由于器件里的耗尽层受到了电压影响，电容CGS和CGD随着所加电压的变化而变化。电容随着VDS电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容。当电压增加时，和VDS相关电容的减小来源于耗尽层电容减小，耗尽层区域扩大。然而相对于CGD，CGS受电压的影响非常小，CGD受电压影响程度是CGS的100倍以上。

在MOFET器件的寄生电容测试中VDS的电压越大电容测量结果越小，实际应用时可根据器件BVDSS电压及工作环境确定即可。目前仅剩下测试频率的选择，选择一个合适的频率点是测试的关键所在。

4不同结构测试

本文对4种不同结构的功率MOSFET器件进行，变化频率进行研究。表2是试验样品的详细情况[N5]。

本文选取表2内的五种样品各一只进行寄生电容测试。由于Ciss、Coss电容是两个部位容值之和，再者器件容量的变化主要取决于栅极的结构设计和工艺。本测试仅对Crss（G端与D端容值）容值在固定VDS电压下改变频率进行测试分析。

使用器件生产厂家给出结电容测试电压VDS=25V、频率从1KHz起步每次步进2KHz直至厂家规定的1MHz进行测试，每只器件测试5次求得算数平均值作为最终的测试结果。本结果使用日本JUNO公司生产的TDS-2000自动测试系统，该系统的电容测试模块为安捷伦LCR测试仪E4980A，该仪器通过第三方校准。

WVM7N60代表的普通VD MOSFET与LSC65R380HT代表的高压超级结 MOSFET器件的CRSS随频率变化曲线基本相似，走勢随频率的增加频率缓慢下降。原因是这两种结构的芯片栅极结构完全一样，因此得出栅漏寄生电容随频率变化一致。

WVM110N06和IRFP250器件是不同厂家的普通 Trench结构。CRSS随频率变化曲线基本相似，走势随频率的增加容值都有一个迅速下降的台阶，过了快速下降的频率点后容值随频率增加而缓慢下降。原因是这种沟槽栅设计使得栅表面积过大而引起容值大于其他结构，该结构沟都有固定频率在测试频率未超过固定频率时容值随频率变大而缓慢减小，在测试频率为固定频率时，容值断崖式下降，之后缓慢下降。

对LNB10R040W3器件代表的分裂栅Trench结构使用VDS=50V和VDS=25V两种电压进行改变频率测试。两种电压下的测试结果变化曲线基本相似，容值较普通Trench结果较小。分裂栅结构就是为了减小普通Trench的容值在栅极下部埋入了一块与源极连接的一块多晶硅来减小器面积从而降低寄生电容，因此该结构在测试时，当测试频率增加到自谐振频率附近时寄生电容迅速表达接下来在迅速转变方向成为负电容且最大也就产生负电容效应。接下来，在频率继续变大时负电容缓慢向零靠近。在VDS=50V相同频率点测得容值要比VDS=25V相同频率点下的容值都小，且自谐振频率也小。

结论

在MOSFET器件的寄生电容测试时，测试容值随测试电压增加而减小，因此建议业内都统一定位为VDS=25V，可以横纵评定不同器件寄生电容的统一测试标准。测试频率不能所有MOSFET器件一概而论，测试频率都定为1MHz。不同结构的MOSFET器件在测试电容时，测试频率要根据实际的结构确定，普通VD MOSFET与超级结 MOSFET可以选择1MHz作为测试频率点。普通 Trench测试频率一定要高于容值快速下降的频率点，也可选择1MHz作为测试频率点。分裂栅Trench器件测试频率一定要小于自谐振频率点。

参考文献：

[N1]GBT 4586-1994 半导体器件 分立器件 第8部分：场效应晶体管

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