소개
파워 MOSFET는 다양한 분야에서 사용되며 고속 스위칭으로 사용할 수 있습니다. 장치의 스위칭 속도는 내부 커패시턴스의 영향을 받으며, 보통 데이터 시트에 Ciss 및 Coss로 명시되어 있는데, 이는 입력 게이트와 드레인 커패시턴스인 Cgs 및 Cgd에서 도출된 것입니다. 게이트 전하(Qgs 및 Qgd)를 사용하면 커패시턴스의 명시 외에 MOSFET의 스위칭 성능도 평가할 수 있습니다.
MOSFET 게이트 전하의 게이트 전하를 측정하는 방법은 JEDEC JESD24-2 표준 "게이트 전하 테스트 방법"에 나와 있습니다. 이 방법에서는 게이트-소스 전압이 시간의 함수로 측정되는 동안 게이트 전류가 강제됩니다. 결과 게이트 전압 파형에서 게이트-소스 전하(Qgs), 게이트-드레인 전하(Qgd), 게이트 전하(Qg)가 도출됩니다.
4200A-SCS 파라미터 분석기는 두 개의 소스 측정 장치(SMU)와 시스템에 포함된 게이트 전하 측정 테스트를 사용해 MOSFET 게이트 전하 측정의 수행을 지원합니다. 이 테스트는 4200A-SCS Clarius+ 소프트웨어 제품군에서 제공되는 광범위한 테스트 라이브러리에 포함된 여러 테스트 중 하나입니다. 이 애플리케이션 노트에서는 4200A-SCS 파라미터 분석기를 사용해 JEDEC 게이트 전하 테스트 방식에 따라 MOSFET 게이트 전하를 측정하는 방법에 대해 설명합니다.
MOSFET 게이트 전하 측정 개요
게이트 전하 방식에서는 고정된 테스트 전류(Ig)가 MOS의 게이트로 강제 주입되고 트랜지스터와 측정된 게이트 소스 전압(Vgs)이 게이트로 유입되는 전하에 대해 도시됩니다. 고정된 전압 바이어스는 드레인 단자로 인가됩니다. 그림 1에서는 파워 MOSFET의 게이트 전압 대 게이트 전하를 보여줍니다.
게이트 전하(Q)는 강제된 게이트 전류 및 시간(Igdt)에서 도출됩니다. 게이트-소스 전하(Qgs)는 그림 1과 같이 전압(Vgs)이 거의 일정한 평탄 구간의 시작점에 도달하기 위해 필요한 전하입니다. 평탄(또는 밀러) 전압(Vpl)은 JEDEC 표준에 따라 dVgs/dt가 최소일 때 게이트-소스 전압으로 정의됩니다. 평탄부(Voltage Plateau)는 트랜지스터가 OFF 상태에서 ON 상태로 스위칭되는 영역입니다. 이 스위칭을 완료하기 위해 필요한 게이트 전하(평탄 영역의 시작에서 끝으로 장치를 전환하는 데 필요한 전하)는 게이트-드레인 전하(Qgd)로 정의되며 밀러 전하로 알려져 있습니다. 게이트 전하(Qg)는 원점에서 게이트 소스 전압(Vgs)이 지정된 최대값(VgsMax)과 동일해지는 지점까지의 전하를 말합니다.

S1은 원점에서 첫 번째 평탄 지점까지의 선분의 기울기입니다. S2는 마지막 평탄 지점에서 지정된 최대 게이트 전압(VgsMax)까지의 선분의 기울기입니다. 기울기는 JESD24-2 표준에 명시된 것처럼 Qgs 및 Qgd를 계산하는 데 사용됩니다.
그림 2에는 일반 게이트 및 드레인 파형이 시간의 함수로 나와 있습니다. 게이트로 전류가 강제 주입되면 Vgs는 임계 전압에 도달할 때까지 증가합니다. 이 점에서 드레인 전류(Id)가 흐르기 시작합니다. 시간 t1에서 Cgs가 충전되면 Id는 일정하게 유지되고 드레인 전압(Vd)은 감소합니다. Vgs는 평탄 영역의 끝에 도달할 때까지 계속 일정하게 유지됩니다. 시간 t2에서 Cgd가 충전되면, 게이트-소스 전압(Vgs)이 지정된 최대 게이트 전압(VgsMax)에 도달할 때까지 다시 증가하기 시작합니다.

4200A-SCS를 사용한 MOSFET 게이트 전하 측정
4200A-SCS는 두 개의 소스 측정 장치(SMU)를 사용해 파워 MOSFET의 게이트 전하를 측정합니다. 그림 3에는 게이트 전하 테스트의 기본 회로도가 나와 있습니다. 한 SMU(SMU1)의 강제 HI 단자를 MOSFET의 게이트 단자에 연결하고 게이트 전류(Ig)를 강제해 시간의 함수로 게이트-소스 전압(Vgs)을 측정합니다. 두 번째 SMU(SMU2)는 고정된 전압(Vds)을 지정된 전류 컴플라이언스 상태(Ib)에서 드레인에 인가합니다. 4200-SMU의 최대 컴플라이언스 전류는 0.1A이고, 4210-SMU의 최대 컴플라이언스 전류는 1A입니다.
게이트 전하를 테스트할 때는 게이트 전압이 증거하고 트랜지스터가 켜집니다. 평탄 영역에서 이러한 전환 중에는 전류가 지정된 컴플라이언스 레벨을 초과하기 때문에 드레인 SMU(SMU2)가 전압 제어에서 전류 제어 모드로 전환됩니다. 소프트웨어는 OFF 상태에서 ON 상태로 전환하는 동안 드레인 전류 과도 특성과 드레인 전압을 반환합니다.
MOSFET의 소스 단자는 4200A-SCS 섀시의 강제 LO 단자나 GNDU에 연결됩니다.

MOSFET 게이트 전하 측정을 위한 Clarius+ 소프트웨어 구성
게이트 전하 테스트는 검색창에서 "게이트 전하"라는 문구를 검색하면 테스트 라이브러리와 프로젝트 라이브러리에서 모두 찾을 수 있습니다. 테스트 라이브러리에서 테스트를 찾으면 테스트를 선택해 프로젝트 트리에 추가함으로써 프로젝트를 추가할 수 있습니다. GateCharge 사용자 라이브러리의 gate_charge 사용자 모듈에서 생성되었습니다.
입력 매개변수 입력
테스트 실행 전 Clarius 소프트웨어의 구성창에서 입력 테스트 매개변수를 입력해야 합니다. (그림 4) 입력 매개변수는 장치와 사용하는 소스 측정 장치(SMU)에 따라 달라집니다.

입력 매개변수에 대한 설명은 표1에 나와 있습니다. 먼저 MOSFET의 게이트(gateSMU)와 드레인(drainSMU)에 연결된 SMU 수를 입력합니다. 소스 단자는 항상 GNDU 또는 강제 LO에 연결되어야 합니다.
gateSMU에 의해 게이트로 강제 주입되는 전류의 크기는 gateCurrent(Ig) 매개변수입니다. 드레인 전압(Vds)은 드레인에 인가된 바이어스 전압이며 drainLimitI는 드레인 SMU의 컴플라이언스 전류입니다.
Coffset 매개변수는 오프셋 커패시턴스를 보정하는 데 사용되며 다음 단락에서 설명됩니다.
표 1. gate_charge 사용자 모듈용 입력 매개변수
| 입력 매개변수 | 값의 범위 | 기본값 | 설명 |
| gateSMU | SMU1-SMU9 | SMU1 | 게이트 단자에 연결된 SMU 수 |
| drainSMU | SMU1-SMU9 | SMU2 | 드레인 단자에 연결된 SMU 수 |
| 소스 | GNDU | GNDU | 소스 단자는 항상 GNDU의 강제 LO 단자에 연결됨 |
| Vds | ±200V | 10V | 드레인 SMU의 드레인 바이어스 전압 크기 |
| drainLimitI | 4200-SMU: 0.1A 4210-SMU: 1A |
0.1A | 드레인 SMU의 전류 컴플라이언스 |
| gateCurrent | ±1E-5A | 1e-7A | 게이트 SMU의 게이트 전류 크기 |
| VgsMax | ±200V | 10V | 게이트 SMU의 최대 전압 레벨 |
| 타임아웃 | 0~300초 | 60초 | 시간 초과 전 시간(초) |
| measDrain | 1(예)/0(아니오) | 1 | 반환 측정 드레인 전류 |
| Coffset | 0 또는 Ceff | 0 | 개방 회로로 테스트 실행 후 시트에 반환된 Ceff 값을 입력 |
오프셋 커패시턴스 보정
측정 시스템의 케이블 연결 및 연결에 따라 오프셋 커패시턴스는 단일 피코패럿에서 수백 피코패럿 범위가 될 수 있습니다. 이러한 커패시턴스는 개방 회로로 gate_charge 사용자 모듈을 실행하여 오프셋 커패시턴스를 구한 다음 소프트웨어에 오프셋 커패시턴스 값을 입력하여 보정할 수 있습니다. 이러한 단계를 수행하는 방법은 다음과 같습니다.
- 오프셋 커패시턴스를 측정합니다. 장치가 SMU에 연결된 것처럼 입력 게이트 전류 등의 테스트 매개변수를 설정합니다. (Ceff 측정을 위해 VgsMax를 증가시킵니다.) 테스트를 실행하기 전 프로브를 들어올리거나 테스트 픽스쳐에서 장치를 제거합니다. 개방 회로로 게이트 전하 테스트를 실행합니다.
- 오스셋 커패시턴스를 구합니다. 테스트가 실행되고 나면 측정된 시스템 오프셋 커패시턴스가 계산되어 시트의 Ceff 열에 표시됩니다. Ceff는 최대 게이트 전압, 게이트 전류 및 시간에서 도출됩니다.
이 단계에서 개방 회로가 측정되기 때문에 테스트가 실행되고 나면 시트에 테스트 상태값 -9 또는 -12가 표시될 수 있습니다. 이는 측정된 장치가 없어 평탄 영역이 없기 때문입니다. 하지만 Ceff 값은 올바르며 구성 보기에서 Coffset으로 입력할 수 있습니다. - 측정된 오프셋 커패시턴스를 입력하고 실행합니다. 구성 보기의 Coffset에 측정된 오프셋 커패시턴스, Ceff를 입력합니다. 기본적으로 Coffset는 0F입니다. 오프셋 커패시턴스에 대한 보상은 다음 판독값에서 이루어집니다.
테스트 실행
입력 매개변수를 입력했으면 화면 상단의 실행을 선택해 테스트를 실행합니다. 테스트가 실행되는 동안 분석 보기에 있는 그래프에 실시간으로 게이트 전하 파형이 업데이트되고 계산된 출력 매개변수가 시트에 표시됩니다.
출력 매개변수 보기
테스트가 완료되면 시트에 여러 매개변수가 반환됩니다. 표 2에는 이러한 매개변수에 대한 설명이 나와 있습니다.
표 2. gate_charge 사용자 모듈용 출력 매개변수
| 출력 매개변수 | 설명 |
| gate_charge | 테스트 상태값 - 설명은 표3 참조 |
| timeArray | 측정된 시간(초) |
| VgArray | 측정된 게이트-소스 전압(볼트) |
| VgCharge | 측정된 게이트 전하(쿨롬) |
| VdArray | 측정된 드레인 전압(볼트) |
| IdArray | 측정된 드레인 전류(암페어) |
| 기울기 | 게이트 전압의 동적 기울기(dVg/dt) |
| Ceff | 최대 게이트 전압에 대한 게이트 전하 비율 |
| Vpl | 평탄 또는 밀러 전압(볼트) |
| T1 | 평탄부가 시작되는 타임스탬프(초) |
| T2 | 평탄부가 끝나는 타임스탬프(초) |
| Qgs | 원점에서 첫 번째 변곡점, 또는 전압 평탄부까지의 게이트 전하(쿨롬) |
| Qgd | 게이트 전하 곡선의 두 변곡점 사이의 게이트 전하(쿨롬) |
| Qg | 원점에서 VgsMax까지의 게이트 전하(쿨롬) |
결과를 그래프로 나타내기
결과 게이트-소스 전압은 게이트 전하 또는 드레인 전류의 함수로 도시할 수 있으며 드레인 전압은 시간의 함수로 도시할 수 있습니다. 그림 5는 4200A-SCS에서 생성되는 일반적인 게이트 전압 파형입니다.

Vgs, Vds 외에도 Id 또한 MOSFET 게이트 전하 또는 시간의 함수로 도시할 수 있습니다. 그림 6에서는 Clarius 소프트웨어의 분석 보기 내 그래프에서 세 개의 매개변수가 모두 게이트 전하의 함수로 도시되는 모습을 보여줍니다. 이러한 경우 전압은 Y1 축에 표시되고 전류는 Y2 축에 도시됩니다.

테스트 상태 확인하기
테스트가 실행될 때마다 테스트 상태 값이 시트의 첫 번째 열("gate_charge")에 반환됩니다. 표 3에는 "gate_charge" 열에 반환된 테스트 상태 값과 그에 관한 설명 및 참고 사항이 나열되어 있습니다.
표 3. 테스트 상태 값
| 테스트 상태 | 설명 | 참고 |
| 1 | 오류 없음 | 테스트가 성공적으로 수행되었습니다. |
| -1 | 게이트 SMU가 존재하지 않음 | 올바른 SMU를 지정하십시오. |
| -2 | 드레인 SMU가 존재하지 않음 | 올바른 SMU를 지정하십시오. |
| -3 | VgsMax > 200V | 게이트 전압이 200V 미만인지 확인합니다. 게이트 전압을 줄이십시오. |
| -4 | 드레인 전류 한계 초과 1A (4210-SMU) 드레인 전류 한도 초과 0.1A(4200-SMU) |
드레인 전류가 1A(중간 전력 SMU의 경우 0.1A) 미만인지 확인합니다. 드레인 전류 한도(drainLimitI)를 줄입니다. |
| -5 | 전력 한도가 초과됨 | 전압이 20V보다 크다면 전류는 0.1A 미만이어야 합니다. 드레인 전류 한도(drainLimitI)를 줄이거나 드레인 전압(Vds)을 낮춥니다. |
| -6 | 입력 조건의 오류 확인. timeOut을 200초로 제한 | timeOut을 200초 미만으로 지정하십시오. |
| -7 | 테스트 시간이 지정한 시간을 초과함(timeOut) | timeOut을 늘리십시오. 최대 시간은 200초입니다. 장치 충전 속도를 높이려면 gateCurrent를 높이십시오. |
| -8 | 반복/측정 횟수 >10,000 | 게이트 전류(gateCurrent)를 늘립니다. |
| -9 | 반복/측정 횟수 <5 | 게이트 전류(gateCurrent)를 줄입니다. 장치, 테스트 설정을 확인하고, 올바른 SMU인지 확인합니다. 이 오류가 오프셋 보정을 위해 개방 회로를 측정하는 동안 발생했다면 무시해도 됩니다. Ceff 값은 여전히 유효합니다. |
| -10 | 원점에서 첫 번째 평탄 지점까지의 지점 수 <10 | 게이트 전류(gateCurrent)를 줄입니다. |
| -11 | 기울기 S1 계산 오류. 상관 계수 <0.9. 원점에서 첫 번째 평탄 지점까지의 곡선이 선형이 아님. | 장치와 테스트 설정을 확인합니다. |
| -12 | 기울기 S2 계산 오류. 상관 계수 0.9 미만. 마지막 평탄 지점에서 VgsMax까지의 곡선이 선형이 아님. | 장치와 테스트 설정을 확인합니다. VgCharge 또는 VdArray가 높게 나타나면 gateCurrent를 낮추고 테스트를 반복하십시오. 이 오류가 오프셋 보정을 위해 개방 회로를 측정하는 동안 발생했다면 무시해도 됩니다. Ceff 값은 여전히 유효합니다. |
| -13 | Vds > 200V | 드레인 전압을 낮춥니다. |
| -14 | gateCurrent > 10µA | 게이트 전류(Ig)를 줄입니다. |
결론
Keithley 4200A-SCS 파라미터 분석기를 사용하면 트랜지스터에서 MOSFET 게이트 전하를 쉽게 측정할 수 있습니다. Clarius 소프트웨어는 장치의 게이트와 드레인에 연결된 두 대의 SMU를 사용해 쉽게 게이트 전하 파형을 도출합니다.
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