簡介
功率 MOSFET 用於多種應用,並可作為高速開關使用。裝置的開關速度受內部電容影響,內部電容通常在產品規格表中以 Ciss 和 Coss 指定,其從輸入閘級和汲極電容 Cgs 和 Cgd 得出。除了指定電容以外,閘級電荷 (Qgs 和 Qgd) 也可用於評估 MOSFET 的開關效能。
JEDEC JESD24-2 標準「閘級電荷測試方法」中說明了一種測量 MOSFET 閘級電荷的方法。透過此方法可強制施加閘級電流,同時將閘級至源極電壓測量為時間的函數。從產生的閘級電壓波形中,可得出閘級-源極電荷 (Qgs)、閘級-汲極電荷 (Qgd) 和閘級電荷 (Qg)。
4200A-SCS 參數分析儀支援使用兩部電源量測設備 (SMU) 儀器和系統中包含的閘級電荷測量測試來進行 MOSFET 閘級電荷測量。該測試是 4200A-SCS Clarius+ 軟體套件中提供的廣泛測試庫中所包含的眾多測試之一。本應用摘要說明如何使用 4200A-SCS 參數分析儀根據 JEDEC 閘級電荷測試方法測量 MOSFET 閘級電荷。
MOSFET 閘級電荷測量概觀
在閘級電荷方法中,將固定測試電流 (Ig) 強制流入 MOS 的閘級,便會根據流入閘級的電荷繪製電晶體與測得的閘級源極電壓 (Vgs)。會向汲極端子供應固定電壓偏壓。圖 1 顯示了功率 MOSFET 的閘級電壓相對於閘級電荷。
閘級電荷 (Q) 強制閘級電流與時間 (Igdt) 得出。如圖 1 所示,閘級-源極電荷 (Qgs) 是到達電壓 (Vgs) 幾乎恆定的高原區域開始處所需的電荷。根據 JEDEC 標準,高原 (或米勒) 電壓 (Vpl) 定義為 dVgs/dt 最小時的閘極-源極電壓。電壓高原是電晶體從關斷狀態切換到導通狀態時的區域。完成此切換所需的閘級電荷—將裝置從高原區域的開始處切換到結束所需的電荷—定義為閘級-汲極電荷 (Qgd),其稱為米勒電荷。閘級電荷 (Qg) 是從原點到閘級源極電壓 (Vgs) 等於指定最大值 (VgsMax) 之點的電荷。

S1 是從原點到第一個高原點之線段的斜率。S2 是從最後一個高原點到指定最大閘級電壓 (VgsMax) 之線段的斜率。這些斜率用於計算 Qgs 和 Qgd,如 JESD24-2 標準所指定。
圖 2 將典型閘級和汲極波形顯示為時間的函數。當電流被迫流向閘級時,Vgs 會增加,直到達到臨界值電壓為止。在這一點,汲極電流 (Id) 開始流動。當 Cgs 在時間 t1 充電時,Id 會保持恆定,汲極電壓 (Vd) 會降低。Vgs 會保持恆定,直到到達高原結束為止。當 Cgd 在時間 t2 充電時,閘極-源極電壓 (Vgs) 會再次開始增加,直到達到指定的最大閘極電壓 (VgsMax) 為止。

使用 4200A-SCS 進行 MOSFET 閘級電荷測量
4200A-SCS 使用兩個 SMU 儀器測量功率 MOSFET 的閘級電荷。圖 3 顯示了閘級電荷測試的基本電路圖。一個 SMU (SMU1) 的強制 HI 端子連接到 MOSFET 的閘級端子,強制閘級電流 (Ig) 並將閘級-源極電壓 (Vgs) 測量為時間的函數。第二個 SMU (SMU2) 以指定的電流相容性 (Ib) 將固定電壓 (Vds) 供應到汲極。4200-SMU 的最大相容性電流為 0.1 A;4210-SMU 的最大相容性為 1 A。
在閘級電荷測試期間,閘級電壓會增加並導通電晶體。在高原區域的這個轉換期間,汲極 SMU (SMU2) 會從電壓控制切換到電流控制模式,因為電流超過了指定的相容性層級。軟體會在轉換期間將汲極電流暫態與汲極電壓從關斷狀態恢復到導通狀態。
MOSFET 的源極端子連接到 4200A-SCS 底盤的強制 LO 端子或 GNDU。

設定 Clarius+ 軟體進行 MOSFET 閘級電荷測量
閘級電荷測試位於測試庫和專案庫中,可以透過搜尋片語「閘級電荷」在「選取」窗格中找到它們。在測試庫中找到測試後,可以透過選取並將其新增至專案工作流程來將其新增至專案。此測試是從 GateCharge 使用者庫中的 gateway_charge 使用者模組建立的。
輸入輸入參數
在執行測試之前,您需要在 Clarius 軟體的「設定」窗格中輸入輸入測試參數 (圖 4)。輸入參數將根據裝置和使用的 SMU 機型而有所不同。

輸入參數的說明如表 1 所列。首先,輸入連接到 MOSFET 之閘級 (gateSMU) 和汲極 (drainSMU) 的 SMU 編號。源極端子應一律連接至 GNDU 或強制 LO。
由 gateSMU 強制流向閘級的電流振幅是 gateCurrent (Ig) 參數。汲極電壓 (Vds) 是供應到汲極的偏差電壓,drainLimitI 是汲極 SMU 的相容性電流。
Coffset 參數用於修正偏移電容,並在以下段落中說明。
表 1. gateway_charge 使用者模組的輸入參數。
| 輸入參數 | 值範圍 | 預設值 | 說明 |
| gateSMU | SMU1-SMU9 | SMU1 | 連接到閘級端子的 SMU 編號 |
| drainSMU | SMU1-SMU9 | SMU2 | 連接到汲極端子的 SMU 編號 |
| 訊號源 | GNDU | GNDU | 源極端子一律連接到 GNDU 上的強制 LO 端子 |
| Vds | ±200 V | 10 V | 汲極 SMU 之汲極偏差電壓的振幅 |
| drainLimitI | 4200-SMU:0.1A 4210-SMU:1 A |
0.1 A | 汲極 SMU 的電流相容性 |
| gateCurrent | ± 1E-5 A | 1e-7 A | 閘級 SMU 之閘級電流的振幅 |
| VgsMax | ±200V | 10 V | 閘級 SMU 的最大電壓位準 |
| 逾時 | 0 至 300 s | 60 s | 逾時前的秒數。 |
| measDrain | 1 (是) 或 0 (否) | 1 | 傳回測量的汲極電流 |
| Coffset | 0 或 Ceff | 0 | 執行開路測試,然後輸入傳回規格表的 Ceff 值 |
修正偏移電容
根據測量系統的佈線和連接,偏移電容可以在一微微法拉到數百微微法拉的範圍內。這些電容可以透過開路執行 gate_charge 使用者模組,獲得偏移電容,然後在軟體中輸入偏移電容值進行補償來修正。以下是執行這些步驟的方法:
- 測量偏移電容。設定測試參數,包括就像裝置已連接至 SMU 一樣輸入閘級電流。(僅針對 Ceff 測量增加 VgsMax。) 在執行測試之前,請提起探棒或從測試治具上取下裝置。以開路執行閘級電荷測試。
- 取得偏移電容。執行測試後,會計算系統的測量偏移電容並將其顯示在規格表的 Ceff 欄中。Ceff 從最大閘級電壓、閘級電流和時間得出。
由於在此步驟中測量的是開路,因此執行測試後,規格表中可能會出現 -9 或 -12 的測試狀態值。這是因為沒有測量任何裝置,因此不存在高原區域。但是,Ceff 值是正確的,可以在設定檢視中輸入為 Coffset。 - 輸入測得的偏移電容並執行。在設定檢視中為 Coffset 輸入測得的偏移電容 Ceff。預設情況下,Coffset 為 0 F。將為後續讀數中的偏移電容進行補償。
執行測試
輸入輸入參數後,透過選取螢幕頂部的「執行」來執行測試。當測試正在執行中時,閘級電荷波形將會在分析檢視的圖形中即時更新,計算出的輸出參數將出現在規格表中。
檢視輸出參數
測試完成後,會將幾個參數傳回到規格表中。表 2 列出了這些參數的說明。
表 2. gateway_charge 使用者模組的輸出參數
| 輸出參數 | 說明 |
| gate_charge | 測試狀態值 - 如需說明,請參閱表 3 |
| timeArray | 測得的時間 (秒) |
| VgArray | 測得的閘級-源極電壓 (伏特) |
| VgCharge | 測得的閘級電荷 (庫侖) |
| VdArray | 測得的汲極電壓 (伏特) |
| IdArray | 測得的汲極電流 (安培) |
| 斜率 | 閘級電壓的動態斜率 (dVg/dt) |
| Ceff | 閘級電荷與最大閘級電壓的比 |
| Vpl | 高原或米勒電壓 (伏特) |
| T1 | 高原區域開始的時間戳記 (秒) |
| T2 | 高原區域結束的時間戳記 (秒) |
| Qgs | 從原點到第一個轉折點的閘級電荷,或電壓高原 (庫侖) |
| Qgd | 在閘級電荷曲線中的兩個轉折點之間的閘級電荷 (庫侖) |
| Qg | 從原點到 VgsMax 的閘級電荷 (庫侖) |
繪製結果
產生的閘級-源極電壓可以繪製為閘級電荷或汲極電流的函數,且汲極電壓可以繪製為時間的函數。圖 5 是 4200A-SCS 產生的典型閘級電壓波形

除了繪製 Vgs 外,還可以將 Vds 和 Id 繪製為 MOSFET 閘級電荷或時間的函數。圖 6 顯示了 Clarius 軟體分析檢視中的圖形,其中顯示了繪製為閘級電荷函數的全部三個參數。在此例中,電壓顯示在 Y1 軸上,電流繪製在 Y2 軸上。

檢查測試狀態
每次執行測試時,測試狀態值都會傳回到規格表中的第一欄,名為「gate_charge」。表 3 列出了在「gate_charge」欄中傳回的測試狀態值及其對應說明與摘要。
表 3. 測試狀態值
| 測試狀態 | 說明 | 附註 |
| 1 | 沒有錯誤 | 測試成功。 |
| -1 | 閘級 SMU 不存在 | 指定正確的 SMU。 |
| -2 | 汲極 SMU 不存在 | 指定正確的 SMU。 |
| -3 | VgsMax > 200 V | 驗證閘級電壓是否小於 200V。降低閘級電壓。 |
| -4 | 汲極電流限制超過 1 A (4210-SMU) 汲極電流限制超過 0.1 A (4200-SMU) |
驗證汲極電流是否小於 1 A (或對中等功率 SMU 為 0.1 A)。降低汲極電流限制 (drainLimitI)。 |
| -5 | 超出功率限制 | 電流應為 < 0.1A if V >20V。降低汲極電流限制 (drainLimitI) 或汲極電壓 (Vds)。 |
| -6 | 輸入條件錯誤檢查。將逾時限制為 200 秒。 | 將逾時指定為 <200 秒。 |
| -7 | 測試時間超過指定逾時 (timeOut)。 | 增加逾時。最大值為 200 秒。嘗試增加 gateCurrent 以為裝置更快充電。 |
| -8 | 迭代/測量次數 >10000。 | 增加閘級電流 (gateCurrent)。 |
| -9 | 迭代/測量次數 <5 | 減少閘級電流 (gateCurrent)。檢查裝置、測試設定以獲得正確的 SMU。 如果在測量開路以進行偏移修正時發生此錯誤,則可忽略此錯誤。Ceff 值仍然有效。 |
| -10 | 從原點到第一個高原點的點數 <10 | 減少閘級電流 (gateCurrent) |
| -11 | 計算斜率 S1 時發生錯誤。關聯係數 < 0.9。從原點到第一個高原點的曲線不是線性。 | 檢查裝置及測試設定。 |
| -12 | 計算斜率 S2 時發生錯誤。關聯係數 < 0.9。從最後一個高原點到 VgsMax 的曲線不是線性。 | 檢查裝置及測試設定。如果 VgCharge 或 VdArray 偏高,請嘗試降低 gateCurrent 並重複測試。 如果在測量開路以進行偏移修正時發生此錯誤,則可忽略此錯誤。Ceff 值仍然有效。 |
| -13 | Vds > 200 V | 減少汲極電壓。 |
| -14 | gateCurrent > 10 µA | 減少閘級電流 (Ig)。 |
結論
使用 Keithley 4200A-SCS 參數分析儀可以輕鬆測量電晶體上的 MOSFET 閘級電荷。使用連接到裝置閘級與汲極的兩部 SMU 儀器,Clarius 軟體可以輕鬆導出閘級電荷波形。
前往 TEK.COM 尋找更多寶貴的資源






