功率MOSFET是一種在電源管理、信號處理、汽車電子和可再生能源系統(tǒng)等多種應用中廣泛使用的高效半導體開關器件。其器件的開關速度受到內部電容的影響，通常在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中以Ciss（輸入電容）和Coss（輸出電容）指出，它們源自于輸入的柵極與漏極之間的電容Cgs和Cgd。除了這些電容參數(shù)之外，柵電荷（Qgs和Qgd）的測量也是評估MOSFET開關性能的一個關鍵因素。

在JEDEC JESD24-2標準“柵極電荷測試方法”中描述了一種測量MOSFET柵極電荷的方法。在這種方法中，將柵極到源極電壓作為時間的函數(shù)。由此產(chǎn)生的柵極電壓波形中，推導出柵極 - 源極電荷（Qgs）、柵極 - 漏極電荷（Qgd）和柵極電荷（Qg）。

4200A-SCS參數(shù)分析儀支持使用兩個源測量單元（SMU）儀器和系統(tǒng)中包含的柵電荷測量測試程序，可以在MOSFET上進行柵電荷測量。該測試是4200A-SCS Clarius+軟件套件中提供的廣泛測試庫中包含的眾多測試之一。本應用指南描述了如何使用4200A-SCS參數(shù)分析儀基于JEDEC柵電荷測試方法測量MOSFET的柵電荷。

柵電荷測量概述

在柵極電荷方法中，將固定測試電流（Ig）引入MOS晶體管的柵極，并且測量的柵極源電壓（Vgs）與流入柵極的電荷相對應。對漏極端子施加一個固定的電壓偏置。圖1顯示了功率MOSFET的柵極電壓與柵極電荷的關系。

柵電荷(Q)由給柵極施加電流和時間（Igdt）提取得出。柵源電荷（Qgs）是所需要的電荷，如圖1所示，以達到飽和區(qū)域的開始，在那里的電壓（Vgs）幾乎是恒定的。根據(jù)JEDEC標準，平臺（或Miller）電壓（Vpl）定義為dVgs/dt最小時的柵源電壓。電壓平臺是當晶體管從OFF狀態(tài)切換到ON狀態(tài)時的區(qū)域。

完成這個開關所需的柵電荷，即將器件從平臺區(qū)開始切換到結束所需的電荷，被定義為柵漏電荷（Qgd），稱為米勒電荷。柵電荷（Qg）是指從原點到柵源電壓（Vgs）等于指定最大值（VgsMax）的電荷。

圖1. 功率MOSFET的典型柵電壓與柵電荷

S1是線段從起點到第一個飽和電壓點的斜率。S2是線段從最后一個平臺點到指定的最大柵極電壓（VgsMax）的斜率。根據(jù)JESD24-2標準，用坡度計算Qgs和Qgd。

圖2顯示了典型的柵極和漏極波形作為時間的函數(shù)。當電流被迫進入柵極時，Vgs增加，直到達到閾值電壓。此時，漏極電流（Id）開始流動。當Cgs在t1時刻充電時，Id保持恒定，漏極電壓（Vd）減小。Vgs一直保持不變，直到它到達飽和電壓的末端。一旦 Cgd在時間t2被充電，柵極-源極電壓（Vgs）就會再次開始增加，直到它達到指定的最大柵極電壓（VgsMax）。

圖2. MOSFET的Vgs 、Vd和Id與時間關系的曲線

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使用4200A-SCS進行柵極電荷測量

4200A-SCS使用兩個SMU測量一個功率MOSFET的柵電荷。圖3顯示了柵極電荷測試的基本電路圖。一個SMU（SMU1）的Force HI端連接到MOSFET的柵端，施加柵電流（Ig），并測量柵源電壓（Vgs）作為時間的函數(shù)。第二個SMU（SMU2）以指定的電流符合要求（Ids）對漏極施加固定電壓（Vds）。4200-SMU的最大限制電流為0.1A；4210-SMU的最大限制電流為1A。

在柵電荷測試中，柵電壓增加并打開晶體管。在飽和區(qū)域的這個過渡期間，漏極SMU（SMU2）從電壓控制切換到電流控制模式，因為電流超過了指定的符合性水平。在從OFF狀態(tài)過渡到ON狀態(tài)期間，軟件返回漏極瞬態(tài)電流和漏極電壓。

MOSFET的源端子連接到4200A-SCS機箱的Force LO端子或GNDU。

圖3. 使用兩個SMU的柵極充電測試配置

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Clarius+軟件為柵電荷測試的配置

Gate Charge測試位于測試庫和項目庫中，可以通過搜索“Gate Charge”從選擇窗格中找到。在測試庫中找到測試后，就可以通過選擇并將其添加到項目樹來將其添加到項目中。此測試是由GateCharge用戶庫中的gate_charge用戶模塊創(chuàng)建的。

輸入?yún)?shù)

在執(zhí)行測試之前，在Clarius軟件的配置窗格中設置輸入?yún)?shù)（圖4）。輸入?yún)?shù)將根據(jù)設備和使用的SMU模型而有所不同。

表1列出了輸入?yún)?shù)的描述。首先，輸入連接到MOSFET的柵極（gate SMU）和漏極（Drain SMU）的SMU。源端子應始終連接到GNDU，或 Force LO。

由柵極SMU施加進入柵極的電流大小，是柵極電流（Ig）參數(shù)。漏極電壓（Vds）是施加到漏極上的偏置電壓，而LimitI是漏極SMU的限制電流。

該偏移參數(shù)用于校正偏移電容，在下面進行描述。

表1. gate_charge用戶模塊的輸入?yún)?shù)

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圖4 . 柵極電荷測試的配置界面

修正偏移電容量

根據(jù)測量系統(tǒng)的布線和連接，偏移電容可以在pF到數(shù)百pF范圍內。這些電容可以通過開路執(zhí)行gate_charge用戶模塊來糾正，獲得偏移電容，然后在軟件中輸入偏移電容值進行補償。以下是如何執(zhí)行這些步驟的方法：

1. 測量偏移電容。設置測試參數(shù)，包括輸入柵電流，設備已連接到SMU。然而，僅為Ceff測量增加VgsMax 。在執(zhí)行測試之前，提起探頭或從測試夾具上取下器件。在開路時執(zhí)行柵極充電測試。

2. 獲得偏移電容。測試完成后，計算系統(tǒng)測量的測量偏移電容，并出現(xiàn)在表中的Ceff列中。Ceff由最大柵電壓、柵電流和時間提取。

由于在此步驟中測量了開路，因此在執(zhí)行測試后，測試表中可能會出現(xiàn)測試狀態(tài)值-9或-12。這是因為沒有測量任何設備，所以沒有飽和區(qū)域。但是，Ceff值是正確的，可以在“配置”視圖中作為C偏移量輸入。

3. 輸入測量的偏移電容并執(zhí)行。在“配置”界面中輸入測量的偏移電容Ceff。默認情況下，偏移為0F。在后續(xù)讀數(shù)中對偏移電容進行補償。

執(zhí)行測試

一旦輸入輸入?yún)?shù)，通過選擇屏幕頂部的運行來執(zhí)行測試。當測試運行時，柵極電荷波形將在分析視圖中實時更新，計算出的輸出參數(shù)將出現(xiàn)在工作表中。

輸出參數(shù)

測試完成后，幾個參數(shù)將返回到工作表中。表2列出了這些參數(shù)的描述。

表2. gate_charge用戶模塊的輸出參數(shù)

圖形結果

柵極 - 源電壓可以繪制成柵極電荷的函數(shù)，或者漏極電流和漏極電壓可以繪制成時間的函數(shù)。圖5是由4200A-SCS測試的一個典型的柵極電壓波形。

圖5. 由4200A-SCS產(chǎn)生的典型柵極電壓波形

除了繪制Vgs，Vds和Id也可以繪制為柵極電荷或時間的函數(shù)。圖6顯示了Clarius軟件的分析界面的圖，顯示了所有三個參數(shù)被繪制為柵電荷的函數(shù)。在這種情況下，電壓被顯示在Y1軸上，而電流被繪制在Y2軸上。

圖6 . Vgs、Vds和Id作為柵極電荷的函數(shù)

檢查測試狀態(tài)

每次執(zhí)行測試時，測試狀態(tài)值將返回到工作表中的第一列，名為“gate_charge”。表3列出了“gate_charge”列中返回的測試狀態(tài)值及其相應的描述和注釋。

表3. 測試狀態(tài)值

總結

利用4200A-SCS參數(shù)分析儀可以方便地對晶體管進行柵極電荷測量。使用連接到設備的柵極和漏極的兩個SMU儀器，Clarius軟件可以很容易地推導出柵極電荷波形。

審核編輯：黃飛

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