栅电荷测试方法研究

张文涛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳，110032；）

栅电荷测试方法研究

张文涛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳，110032；）

近年来，功率半导体器件的应用领域不断扩展，对技术指标的要求日益提高。栅电荷是功率MOSFET动态特性的重要参数，在军用功率MOSFET器件研制、生产和使用过程中，对作为关键参数的栅电荷提出了更高的要求，该参数直接影响器件的整体性能，其测试结果与时间和频率有关，受分布参数、测试夹具和电路结构等因素影响较大。从栅电荷的定义着手，介绍了栅电荷的测试方法，比对国内外不同测试系统对栅电荷的测试结果，针对数据差异进行技术分析，为国内的栅电荷测试提供一定的参考和指导作用。

栅电荷;功率;测试;频率;电压;电容

1 引言

功率MOSFET器件具有驱动电路简单、驱动耗散功率小、开关速度快、开关损耗低、导通损耗低、导通电流负温度系数等重要特性[1]。随着功率MOSFET器件容量不断增加、性能不断提高，应用范围也在不断扩大[2]，在现代雷达、电子对抗和通讯装备应用方面发挥着不可替代的重要作用。同时，功率MOSFET是新一代功率半导体器件的起点。从器件结构来说，功率MOSFET也属于最基本的结构之一[3]。

功率MOSFET常常应用在频率较高的场合，当频率提高时，开关损耗的大小变得愈来愈重要，开关性能主要由建立穿过MOSFET电容的电压变化所需的时间决定[4]。栅电荷是用于衡量功率MOSFET开关性能的重要参数[5-6]，有效降低开关损耗，就要降低栅电荷的大小。因此，通过对功率MOSFET器件栅极电荷特性进行分析，可以方便地估算出器件性能。该参数的测试在器件研制、失效分析和数据分析及应用等诸多环节中非常重要。

2 栅电荷参数定义、基本测量电路和工作原理

栅电荷由QG（栅极总电荷）、QGS（栅源电荷）、QGD（栅漏电荷）等参数构成。各部分定义见表1。

栅电荷通常采用在栅极输入电流阶跃信号的方法来测量[7]。栅电荷测量电路的基本组成，包括系统电源、总线接口、脉冲电流发生器（产生栅极电流IG）、漏极负载电路（主要产生漏极电流ID）、测试适配器以及栅电荷测量显示电路等主要部分。如图1所示。

表1 栅电荷的定义

图1 栅电荷基本测量电路

栅电压作为栅电荷单调函数的一种，电荷或电容已在各个栅电压点明确规定。栅电压保证器件已很好地处于“开”态，测量具有重复性。对于给定的器件，这些电压点的栅电荷独立于漏极电流，且为“关”态电压的弱函数。

栅电荷基本测试波形如图2所示。

栅电荷测试的基本工作原理：

（1）在t0之前，开关S关闭，VG和ID为零，在t0时刻开关S打开，栅—源电容开始充电，栅—源电压增加，当栅极电压到达阈值电压时，漏极有电流流过。

图2 栅电荷基本测试波形

（2）在t1～t2时刻，栅—源电容继续充电，VG继续上升，ID相应增加，DUT电压为VDD，漏—栅电容CAD保持为固定值。这段时间CAD的充电电流远小于CGS，CAD可以忽略。

（3）在t2时刻，漏极电流达到ID，整流器关闭，漏极电压不再保持在VDD，开始下降。由于DUT的固有转换特性，栅极电压随ID变化，保持不变，所以栅—源电容不再消耗能量，驱动电流转移到米勒电容CAD上，使CAD放电。

（4）漏极电压在t2～t3时间段较长，所以CAD上总的驱动电荷比栅—源电容CGS电荷要高，在t3时刻，漏极电压降到等于ID与通态电阻RDS(on)的乘积，DUT超出有效工作区范围。由于器件所具有的转移特性，对应的漏极电流、栅极电压不再保持不变，开始增加。在t4时刻，当栅极电压等于栅极电路电流源的电压时，栅—源电压与驱动电路的电荷成一定比例。因此t0到t2时间段由栅—源电容消耗电荷量QGS，t2到t3时间段由栅—漏电容或米勒电容消耗电荷量QGD，在t3时刻的总电荷是变化的VDD和ID的电荷量。栅漏电容是栅漏电压的非线性函数[8]。

简单来说，栅电荷测试的工作原理是,功率MOSFET器件栅极的恒定电流IG，在开关S开启时，通过测试栅—源电压VGS随时间的变化，即可得到VGS-t曲线，栅电荷为栅极电流对时间的积分由于栅极电流IG为常数，则QG=IG×t，通过简单转换，可得到如VGS-QG曲线。

3 栅电荷测试数据比对

目前，国内进行栅电荷测试的主要设备有，美国ITC公司ITC57300和国产厉芯泰斯特LX9600。采用这两个测试系统对IXFN 48N60P的样片进行栅电荷的测试。通过施加相同的测试条件得到的测试结果见表2。

通过以上数据对比分析发现，虽然测试结果均满足技术手册中的要求，但部分参数测试数据还存在着一定的偏差，针对引起数据差异的原因进行技术分析，归纳起来主要有以下几点：

表2 IXFN 48N60P栅电荷测试数据对比

1、栅电荷测试系统均采用了自动数据采集，在算法上有一定差异也会引起栅电荷测试结果的差异。

2、栅电荷测试是时间与电流乘积的结果，与时间测量单元，即数字示波器的技术指标如带宽、扫描时间的设置等因素有关。

3、测试系统施加的偏置条件如栅极电压、栅极电流、漏极电压等准确与否，也是导致栅电荷测试结果有差异的一个因素。

4、其他因素：如适配器的设计、内部结构、测试连接等方面都是引起栅电荷测试结果差异的原因。

4 结束语

通过以上分析可知时间和频率的变化对栅电荷的测试结果影响很大，在实际测试当中，交流信号引入的分布参数、测试夹具的匹配度以及电路内部元器件量值变化对测试结果也会有一定的影响，而且这些影响难以定量评估，因此造成不同型号、不同厂家的测试系统的测试结果存在差异。鉴于国内鲜有单位从事相关方面的研究，为了更好地保障产品可靠性，此文仅对栅电荷测试与分析做了抛砖引玉，希望能为国内的栅电荷测试提供一定的参考和指导作用。

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[8]衡草飞.低压功率VDMOSFET参数优化及栅电荷研究[D]．成都：电子科技大学,2005.Heng Caofei.Low Voltage Power VDMOSFET Parameter Optimization and Gate Charge[D].Cheng Du:University of Electronic Science and Technology of China,2005.

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

作者简介：张文涛（1983—），男，辽宁省凌源县人，助理工程师，主研方向：元器件测试。

2016-09-02