基于JEDEC栅电荷测试方法测量MOSFET的栅电荷

功率MOSFET是一种在电源管理、信号处理、汽车电子和可再生能源系统等多种应用中广泛使用的高效半导体开关器件。其器件的开关速度受到内部电容的影响，通常在产品数据表中以Ciss（输入电容）和Coss（输出电容）指出，它们源自于输入的栅极与漏极之间的电容Cgs和Cgd。除了这些电容参数之外，栅电荷（Qgs和Qgd）的测量也是评估MOSFET开关性能的一个关键因素。

在JEDEC JESD24-2标准“栅极电荷测试方法”中描述了一种测量MOSFET栅极电荷的方法。在这种方法中，将栅极到源极电压作为时间的函数。由此产生的栅极电压波形中，推导出栅极 - 源极电荷（Qgs）、栅极 - 漏极电荷（Qgd）和栅极电荷（Qg）。

4200A-SCS参数分析仪支持使用两个源测量单元（SMU）仪器和系统中包含的栅电荷测量测试程序，可以在MOSFET上进行栅电荷测量。该测试是4200A-SCS Clarius+软件套件中提供的广泛测试库中包含的众多测试之一。本应用指南描述了如何使用4200A-SCS参数分析仪基于JEDEC栅电荷测试方法测量MOSFET的栅电荷。

栅电荷测量概述

在栅极电荷方法中，将固定测试电流（Ig）引入MOS晶体管的栅极，并且测量的栅极源电压（Vgs）与流入栅极的电荷相对应。对漏极端子施加一个固定的电压偏置。图1显示了功率MOSFET的栅极电压与栅极电荷的关系。

栅电荷(Q)由给栅极施加电流和时间（Igdt）提取得出。栅源电荷（Qgs）是所需要的电荷，如图1所示，以达到饱和区域的开始，在那里的电压（Vgs）几乎是恒定的。根据JEDEC标准，平台（或Miller）电压（Vpl）定义为dVgs/dt最小时的栅源电压。电压平台是当晶体管从OFF状态切换到ON状态时的区域。

完成这个开关所需的栅电荷，即将器件从平台区开始切换到结束所需的电荷，被定义为栅漏电荷（Qgd），称为米勒电荷。栅电荷（Qg）是指从原点到栅源电压（Vgs）等于指定最大值（VgsMax）的电荷。

图1. 功率MOSFET的典型栅电压与栅电荷

S1是线段从起点到第一个饱和电压点的斜率。S2是线段从最后一个平台点到指定的最大栅极电压（VgsMax）的斜率。根据JESD24-2标准，用坡度计算Qgs和Qgd。

图2显示了典型的栅极和漏极波形作为时间的函数。当电流被迫进入栅极时，Vgs增加，直到达到阈值电压。此时，漏极电流（Id）开始流动。当Cgs在t1时刻充电时，Id保持恒定，漏极电压（Vd）减小。Vgs一直保持不变，直到它到达饱和电压的末端。一旦 Cgd在时间t2被充电，栅极-源极电压（Vgs）就会再次开始增加，直到它达到指定的最大栅极电压（VgsMax）。

图2. MOSFET的Vgs 、Vd和Id与时间关系的曲线

 

使用4200A-SCS进行栅极电荷测量

4200A-SCS使用两个SMU测量一个功率MOSFET的栅电荷。图3显示了栅极电荷测试的基本电路图。一个SMU（SMU1）的Force HI端连接到MOSFET的栅端，施加栅电流（Ig），并测量栅源电压（Vgs）作为时间的函数。第二个SMU（SMU2）以指定的电流符合要求（Ids）对漏极施加固定电压（Vds）。4200-SMU的最大限制电流为0.1A；4210-SMU的最大限制电流为1A。

在栅电荷测试中，栅电压增加并打开晶体管。在饱和区域的这个过渡期间，漏极SMU（SMU2）从电压控制切换到电流控制模式，因为电流超过了指定的符合性水平。在从OFF状态过渡到ON状态期间，软件返回漏极瞬态电流和漏极电压。

MOSFET的源端子连接到4200A-SCS机箱的Force LO端子或GNDU。

图3. 使用两个SMU的栅极充电测试配置

 

Clarius+软件为栅电荷测试的配置

Gate Charge测试位于测试库和项目库中，可以通过搜索“Gate Charge”从选择窗格中找到。在测试库中找到测试后，就可以通过选择并将其添加到项目树来将其添加到项目中。此测试是由GateCharge用户库中的gate_charge用户模块创建的。

输入参数

在执行测试之前，在Clarius软件的配置窗格中设置输入参数（图4）。输入参数将根据设备和使用的SMU模型而有所不同。

表1列出了输入参数的描述。首先，输入连接到MOSFET的栅极（gate SMU）和漏极（Drain SMU）的SMU。源端子应始终连接到GNDU，或 Force LO。

由栅极SMU施加进入栅极的电流大小，是栅极电流（Ig）参数。漏极电压（Vds）是施加到漏极上的偏置电压，而LimitI是漏极SMU的限制电流。

该偏移参数用于校正偏移电容，在下面进行描述。

表1. gate_charge用户模块的输入参数

 

图4 . 栅极电荷测试的配置界面

修正偏移电容量

根据测量系统的布线和连接，偏移电容可以在pF到数百pF范围内。这些电容可以通过开路执行gate_charge用户模块来纠正，获得偏移电容，然后在软件中输入偏移电容值进行补偿。以下是如何执行这些步骤的方法：

1. 测量偏移电容。设置测试参数，包括输入栅电流，设备已连接到SMU。然而，仅为Ceff测量增加VgsMax 。在执行测试之前，提起探头或从测试夹具上取下器件。在开路时执行栅极充电测试。

2. 获得偏移电容。测试完成后，计算系统测量的测量偏移电容，并出现在表中的Ceff列中。Ceff由最大栅电压、栅电流和时间提取。

由于在此步骤中测量了开路，因此在执行测试后，测试表中可能会出现测试状态值-9或-12。这是因为没有测量任何设备，所以没有饱和区域。但是，Ceff值是正确的，可以在“配置”视图中作为C偏移量输入。

3. 输入测量的偏移电容并执行。在“配置”界面中输入测量的偏移电容Ceff。默认情况下，偏移为0F。在后续读数中对偏移电容进行补偿。

执行测试

一旦输入输入参数，通过选择屏幕顶部的运行来执行测试。当测试运行时，栅极电荷波形将在分析视图中实时更新，计算出的输出参数将出现在工作表中。

输出参数

测试完成后，几个参数将返回到工作表中。表2列出了这些参数的描述。

表2. gate_charge用户模块的输出参数

图形结果

栅极 - 源电压可以绘制成栅极电荷的函数，或者漏极电流和漏极电压可以绘制成时间的函数。图5是由4200A-SCS测试的一个典型的栅极电压波形。

图5. 由4200A-SCS产生的典型栅极电压波形

除了绘制Vgs，Vds和Id也可以绘制为栅极电荷或时间的函数。图6显示了Clarius软件的分析界面的图，显示了所有三个参数被绘制为栅电荷的函数。在这种情况下，电压被显示在Y1轴上，而电流被绘制在Y2轴上。

图6 . Vgs、Vds和Id作为栅极电荷的函数

检查测试状态

每次执行测试时，测试状态值将返回到工作表中的第一列，名为“gate_charge”。表3列出了“gate_charge”列中返回的测试状态值及其相应的描述和注释。

表3. 测试状态值

总结

利用4200A-SCS参数分析仪可以方便地对晶体管进行栅极电荷测量。使用连接到设备的栅极和漏极的两个SMU仪器，Clarius软件可以很容易地推导出栅极电荷波形。

审核编辑：黄飞