柵電荷測試方法研究

張文濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽，110032；）

柵電荷測試方法研究

張文濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽，110032；）

近年來，功率半導體器件的應用領域不斷擴展，對技術指標的要求日益提高。柵電荷是功率MOSFET動態特性的重要參數，在軍用功率MOSFET器件研制、生產和使用過程中，對作為關鍵參數的柵電荷提出了更高的要求，該參數直接影響器件的整體性能，其測試結果與時間和頻率有關，受分布參數、測試夾具和電路結構等因素影響較大。從柵電荷的定義著手，介紹了柵電荷的測試方法，比對國內外不同測試系統對柵電荷的測試結果，針對數據差異進行技術分析，為國內的柵電荷測試提供一定的參考和指導作用。

柵電荷;功率;測試;頻率;電壓;電容

1 引言

功率MOSFET器件具有驅動電路簡單、驅動耗散功率小、開關速度快、開關損耗低、導通損耗低、導通電流負溫度系數等重要特性[1]。隨著功率MOSFET器件容量不斷增加、性能不斷提高，應用范圍也在不斷擴大[2]，在現代雷達、電子對抗和通訊裝備應用方面發揮著不可替代的重要作用。同時，功率MOSFET是新一代功率半導體器件的起點。從器件結構來說，功率MOSFET也屬于最基本的結構之一[3]。

功率MOSFET常常應用在頻率較高的場合，當頻率提高時，開關損耗的大小變得愈來愈重要，開關性能主要由建立穿過MOSFET電容的電壓變化所需的時間決定[4]。柵電荷是用于衡量功率MOSFET開關性能的重要參數[5-6]，有效降低開關損耗，就要降低柵電荷的大小。因此，通過對功率MOSFET器件柵極電荷特性進行分析，可以方便地估算出器件性能。該參數的測試在器件研制、失效分析和數據分析及應用等諸多環節中非常重要。

2 柵電荷參數定義、基本測量電路和工作原理

柵電荷由QG（柵極總電荷）、QGS（柵源電荷）、QGD（柵漏電荷）等參數構成。各部分定義見表1。

柵電荷通常采用在柵極輸入電流階躍信號的方法來測量[7]。柵電荷測量電路的基本組成，包括系統電源、總線接口、脈沖電流發生器（產生柵極電流IG）、漏極負載電路（主要產生漏極電流ID）、測試適配器以及柵電荷測量顯示電路等主要部分。如圖1所示。

表1 柵電荷的定義

圖1 柵電荷基本測量電路

柵電壓作為柵電荷單調函數的一種，電荷或電容已在各個柵電壓點明確規定。柵電壓保證器件已很好地處于“開”態，測量具有重復性。對于給定的器件，這些電壓點的柵電荷獨立于漏極電流，且為“關”態電壓的弱函數。

柵電荷基本測試波形如圖2所示。

柵電荷測試的基本工作原理：

（1）在t0之前，開關S關閉，VG和ID為零，在t0時刻開關S打開，柵—源電容開始充電，柵—源電壓增加，當柵極電壓到達閾值電壓時，漏極有電流流過。

圖2 柵電荷基本測試波形

（2）在t1～t2時刻，柵—源電容繼續充電，VG繼續上升，ID相應增加，DUT電壓為VDD，漏—柵電容CAD保持為固定值。這段時間CAD的充電電流遠小于CGS，CAD可以忽略。

（3）在t2時刻，漏極電流達到ID，整流器關閉，漏極電壓不再保持在VDD，開始下降。由于DUT的固有轉換特性，柵極電壓隨ID變化，保持不變，所以柵—源電容不再消耗能量，驅動電流轉移到米勒電容CAD上，使CAD放電。

（4）漏極電壓在t2～t3時間段較長，所以CAD上總的驅動電荷比柵—源電容CGS電荷要高，在t3時刻，漏極電壓降到等于ID與通態電阻RDS(on)的乘積，DUT超出有效工作區范圍。由于器件所具有的轉移特性，對應的漏極電流、柵極電壓不再保持不變，開始增加。在t4時刻，當柵極電壓等于柵極電路電流源的電壓時，柵—源電壓與驅動電路的電荷成一定比例。因此t0到t2時間段由柵—源電容消耗電荷量QGS，t2到t3時間段由柵—漏電容或米勒電容消耗電荷量QGD，在t3時刻的總電荷是變化的VDD和ID的電荷量。柵漏電容是柵漏電壓的非線性函數[8]。

簡單來說，柵電荷測試的工作原理是,功率MOSFET器件柵極的恒定電流IG，在開關S開啟時，通過測試柵—源電壓VGS隨時間的變化，即可得到VGS-t曲線，柵電荷為柵極電流對時間的積分由于柵極電流IG為常數，則QG=IG×t，通過簡單轉換，可得到如VGS-QG曲線。

3 柵電荷測試數據比對

目前，國內進行柵電荷測試的主要設備有，美國ITC公司ITC57300和國產厲芯泰斯特LX9600。采用這兩個測試系統對IXFN 48N60P的樣片進行柵電荷的測試。通過施加相同的測試條件得到的測試結果見表2。

通過以上數據對比分析發現，雖然測試結果均滿足技術手冊中的要求，但部分參數測試數據還存在著一定的偏差，針對引起數據差異的原因進行技術分析，歸納起來主要有以下幾點：

表2 IXFN 48N60P柵電荷測試數據對比

1、柵電荷測試系統均采用了自動數據采集，在算法上有一定差異也會引起柵電荷測試結果的差異。

2、柵電荷測試是時間與電流乘積的結果，與時間測量單元，即數字示波器的技術指標如帶寬、掃描時間的設置等因素有關。

3、測試系統施加的偏置條件如柵極電壓、柵極電流、漏極電壓等準確與否，也是導致柵電荷測試結果有差異的一個因素。

4、其他因素：如適配器的設計、內部結構、測試連接等方面都是引起柵電荷測試結果差異的原因。

4 結束語

通過以上分析可知時間和頻率的變化對柵電荷的測試結果影響很大，在實際測試當中，交流信號引入的分布參數、測試夾具的匹配度以及電路內部元器件量值變化對測試結果也會有一定的影響，而且這些影響難以定量評估，因此造成不同型號、不同廠家的測試系統的測試結果存在差異。鑒于國內鮮有單位從事相關方面的研究，為了更好地保障產品可靠性，此文僅對柵電荷測試與分析做了拋磚引玉，希望能為國內的柵電荷測試提供一定的參考和指導作用。

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The Research on Gate Charge Test Method

Zhang Wentao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

In recent years,the application fields of Power Semiconductor Device are extended,the technical requirements are increasingly improved.Gate charge is an important dynamic parameter of Power MOSFET.In the process of research,production and application for military Power MOSFETs，gate charge,as a major parameter,requires a higher demand.This parameter effects the overall performance of device directly,and its test result is related to time and frequency,which can be affected greatly by test fixture and circuit structure.This paper sets about the definition of gate charge,introduces its test method,compares the test results between different test systems,analyzes on different test results,and provides references and guidance for gate charge testing.

Gate charge;Power;Test;Frequency;Voltage;Capacitance

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.002

TN307

A

1002-2279-（2017）04-0004-03

作者簡介：張文濤（1983—），男，遼寧省凌源縣人，助理工程師，主研方向：元器件測試。

2016-09-02