MOSFET器件的高壓CV測試詳解

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MOSFET、IGBT和BJT等半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度受到元件本身的電容的影響。為了滿足電路的效率，設(shè)計者需要知道這些參數(shù)。例如，設(shè)計一個高效的開關(guān)電源將要求設(shè)計者知道設(shè)備的電容，因為這將影響開關(guān)速度，從而影響效率。這些信息通常在MOSFET的指標(biāo)說明書中提供。

圖1 功率MOSFET的組件級電容

三端功率半導(dǎo)體器件的電容可以在兩種不同的量級上看待：組件和電路。在組件上查看電容涉及到表征每個設(shè)備終端之間的電容。在電路上觀察電容涉及到描述組件級電容的組合。例如，圖1說明了一個功率MOSFET的組件級電容。圖2到圖4說明了一個功率MOSFET的組件級和電路級電容之間的關(guān)系。對BJT和IGBT器件也可以進(jìn)行類似的電容測量。

關(guān)系如下：

●   C_ISS=C_GS+C_GD=輸入電容

●   C_OSS=C_DS+C_GS=輸出電容

●   C_RSS=C_GD=反向傳輸電容

圖2 功率MOSFET的輸入電容

圖3 功率MOSFET的輸出電容

圖4 功率MOSFET的反向傳輸電容

器件的電容通常隨所施加的電壓而變化。因此，完整的表征需要了解在最大額定電壓下的電容。本應(yīng)用程序說明了如何使用4200A-CVIV開關(guān)提供的偏置功能以及在Clarius中測量C_ISS 、C_OSS和C_RSS的。CVIV可以很容易地在I-V和C-V測量值之間切換，它還可以將C-V測量值移動到任何設(shè)備終端，而無需重新連接或抬起探針。

本文還顯示了儀器的直流輸出電壓如何從200V 加到400V，進(jìn)行漏極上更高電壓的測量，這有利于測試更高功率的半導(dǎo)體，如GaN器件。該功能已在Clarius V1.6以上的版本添加并更新。

一、設(shè)備連接

本文描述的所有SMU和CVU連接都是通過4200A-CVIV進(jìn)行連接的。CVIV可以有一個4210-CVU或4215-CVU，最多可以有四個SMU連接到一個設(shè)備上。使用4200A-CVIV提供了以下優(yōu)點：

●   內(nèi)置項目可測量高達(dá)200V和400V的C_ISS、 C_RSS和C_OSS。

●   4200A-CVIV開關(guān)支持自動測量。不需要重新連接設(shè)備或電纜。

●   開路和短路的C-V補(bǔ)償。

圖5顯示了MOSFET與CVIV的連接。對于這個特定的應(yīng)用程序，至少需要三個SMU和一個CVU來完成測試。圖6顯示了封裝的MOSFET的實際CVIV連接。請注意，CVIV 上的所有通道都是打開的。4200A-CVIV 的四個通道將根據(jù)每次測試的配置進(jìn)行配置，因此每次測試都不需要電纜重新連接。

圖5 MOSFET連接到4200A-CVIV的輸出端

圖6 連接到4200A-CVIV的封裝MOSFET

二、在Clarius軟件中配置測量

Clarius的庫有兩個在mosfet上執(zhí)行三端電容測量的項目。這兩個項目在 Clarius 中配置相似，不同之處在于能力。一個項目，“MOSFET 3-terminal C-V Test Using 4200A-CVIV Bias Tees”使用一個SMU加到漏端，從0到200V直流偏置電壓掃描。另一個項目，“MOSFET 3-terminal C-V tests up to 400 V using 4200A-CVIV Bias Tees”使用一種新方法將電壓從0到400V。這種方法同時使用三個SMU掃描，每個器件端口上一個SMU，提供一個400V直流差分電壓。

圖7 使用SweepV用戶模塊的MOSFET-CVIV-CV-Bias-Tees項目

圖7顯示了“使用4200A-CVIV BiasT的MOSFET3端C-V測試”項目，該項目使用了hivcvulib中的SweepV用戶模塊。該用戶模塊允許在漏極處進(jìn)行一次掃描，并在器件每個端口處進(jìn)行電容測量。首先，進(jìn)行開路和短路補(bǔ)償，以確保準(zhǔn)確的測量。執(zhí)行這些補(bǔ)償需要執(zhí)行特定的配置步驟。它們被稱為補(bǔ)償測量，并在項目樹中提供。在執(zhí)行任何測試之前，將對每個測試執(zhí)行補(bǔ)償。4200A可以存儲對每個配置的補(bǔ)償，可以執(zhí)行多個測試。該項目有五種不同的配置：C_ISS、C_RSS、C_OSS、C_GS和C_DS 。

CVIV配置

必須為每個測試配置CVIV。CVIV有許多輸出模式，這些都在用戶手冊中有描述。表1列出了各種輸出模式。

表1 4200A-CVIV輸出模式

圖8到圖12顯示了對每個元件和電路級電容測量的CVIV的每個通道的狀態(tài)。

圖8 C_GS配置

圖9 C_DS配置

圖10 C_RSS和C_GD配置

圖8顯示了C_GS的配置，當(dāng)SMU在漏極處掃描直流電壓時，該測試測量了MOSFET的柵極和源極之間的電容。圖9顯示了C_DS的配置，當(dāng)SMU在漏極處掃描直流電壓時，該測試測量了漏極和源極之間的電容。圖10顯示了C_RSS配置。該測試測量MSMU掃掃漏極直流電壓時MOSFET的反向傳輸電容。

圖11 CISS配置

圖12 COSS配置

圖11顯示了C_ISS的配置，該測試測量MSU掃描直流電壓時，MOSFET的輸入電容。圖12顯示了C_OSS配置，該測試在SMU掃描漏極的直流電壓時測量MOSFET的輸出電容。一旦執(zhí)行了測試，數(shù)據(jù)就會被繪制出來。圖13顯示了由4200A生成的MOSFET的電容特性數(shù)據(jù)。

圖13 MOSFET掃描到200V的電容特性

三、400V直流電壓掃描

利用4200A-CVIV多開關(guān)同時掃描多個SMU，將MOSFET器件的輸出電壓翻倍至400V的新方法。這些測試通常在OFF狀態(tài)（V_GS=0V）下進(jìn)行。通常在漏極有一個掃描SMU，使用4200A-CVIV內(nèi)置的偏置能力，在每個終端測量電容。

圖14 三個SMU同時掃描

圖14顯示了連接到MOSFET的三個端口的三個掃描SMU。SMU1和SMU2將使用高達(dá)400V的差分電壓。SMU2和SMU3必須在相同的電壓下同時掃描，這可以使柵極下降0V。使用這種方法，我們可以在Drain端產(chǎn)生一個400V的掃描電壓。此方法僅用于封裝器件，而不適用于晶圓級設(shè)備。

這些測量是使用multiple SMU_SweepV用戶模塊執(zhí)行的，可在hivcvulib用戶庫中獲得。

圖15 輸出高達(dá)400V直流差分的項目

圖15顯示了使用用戶模塊Multiple SMU_SweepV的4200A-CVIV Bias Tee項目進(jìn)行高達(dá)400V的MOSFET三端口C-V測試。項目樹的設(shè)置方式與上一個項目相同。所有的CVIV配置操作，包括補(bǔ)償，都以完全相同的方式完成。唯一的區(qū)別是，還必須配置另外兩個SMU。默認(rèn)情況下，測試應(yīng)該在Drain上從0掃到400V。柵極和源極SMU應(yīng)同時在相同的電壓下掃描。用戶還能夠根據(jù)被測試設(shè)備的阻抗來改變CVU設(shè)置，如頻率、范圍和速度。

圖16 MOSFET掃描到400V的電容特性

圖17 400V掃描的輸出數(shù)據(jù)

圖16顯示了由4200A-SCS中測試MOSFET上高達(dá)400V的C-V掃描圖。差分電壓為一個計算值。區(qū)別在于漏極和源極之間的電壓不同。圖17顯示了輸出數(shù)據(jù)，其中列出了三個端口上的掃描電壓。Diffvoltage是計算出的差分電壓值。

四、總結(jié)

MOSFET、IGBT和BJT等半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度受到元件本身電容的影響。本應(yīng)用程序說明了如何使用4200A-CVIV能夠在不需要重新連接任何電纜的情況下，在200V直流偏置的情況下進(jìn)行這些測量，從而減少了用戶錯誤并允許自動測試。它還允許直接測量電路級電容，而不需要通過組件級電容，這允許電路級設(shè)計者更快地獲得所需的數(shù)據(jù)。

此外，當(dāng)在三端器件上測量電容時，通常有一個端子不包括在測量中，其電容可能會影響整體測量。在每個端口使用偏置網(wǎng)絡(luò)消除了外部電容或短路的影響。

我們還展示了一種新的方法，通過同時使用三臺SMU進(jìn)行掃頻，使在三端器件上的4200A的直流偏置加倍。柵極和源極SMU在同一極性上同時掃描，以避免設(shè)備的開態(tài)狀態(tài)的影響。漏極SMU將掃描源極和柵極的相反極性，從而使差分電壓翻倍。這支持在漏極處進(jìn)行高達(dá)400V的電壓掃描，這有利于測試更高功率的半導(dǎo)體，如GaN。

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