【導(dǎo)讀】MOSFET、IGBT和BJT等半導(dǎo)體器件的開(kāi)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(jì)者需要知道這些參數(shù)。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的開(kāi)關(guān)電源將要求設(shè)計(jì)者知道設(shè)備的電容，因?yàn)檫@將影響開(kāi)關(guān)速度，從而影響效率。這些信息通常在MOSFET的指標(biāo)說(shuō)明書(shū)中提供。
MOSFET、IGBT和BJT等半導(dǎo)體器件的開(kāi)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(jì)者需要知道這些參數(shù)。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的開(kāi)關(guān)電源將要求設(shè)計(jì)者知道設(shè)備的電容，因?yàn)檫@將影響開(kāi)關(guān)速度，從而影響效率。這些信息通常在MOSFET的指標(biāo)說(shuō)明書(shū)中提供。
圖1. 功率MOSFET的組件級(jí)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(jí)上看待：組件和電路。在組件上查看電容涉及到表征每個(gè)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(jí)電容的組合。例如，圖1說(shuō)明了一個(gè)功率MOSFET的組件級(jí)電容。圖2到圖4說(shuō)明了一個(gè)功率MOSFET的組件級(jí)和電路級(jí)電容之間的關(guān)系。對(duì)BJT和IGBT器件也可以進(jìn)行類似的電容測(cè)量。
關(guān)系如下：
CISS = CGS + CGD = 輸入電容
COSS = CDS + CGS = 輸出電容
CRSS = CGD = 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(shuō)明了如何使用4200A-CVIV開(kāi)關(guān)提供的偏置功能以及在Clarius中測(cè)量CISS 、COSS和CRSS的。CVIV可以很容易地在I-V和C-V測(cè)量值之間切換，它還可以將C-V測(cè)量值移動(dòng)到任何設(shè)備終端，而無(wú)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(cè)量，這有利于測(cè)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(guò)4200A-CVIV進(jìn)行連接的。CVIV可以有一個(gè)4210-CVU或4215-CVU，最多可以有四個(gè)SMU連接到一個(gè)設(shè)備上。使用4200A-CVIV提供了以下優(yōu)點(diǎn)：
內(nèi)置項(xiàng)目可測(cè)量高達(dá)200V和400V的CISS、 CRSS和COSS。
4200A-CVIV開(kāi)關(guān)支持自動(dòng)測(cè)量。不需要重新連接設(shè)備或電纜。
開(kāi)路和短路的C-V補(bǔ)償。
圖5顯示了MOSFET與CVIV的連接。對(duì)于這個(gè)特定的應(yīng)用程序，至少需要三個(gè)SMU和一個(gè)CVU來(lái)完成測(cè)試。圖6顯示了封裝的MOSFET的實(shí)際CVIV連接。請(qǐng)注意，CVIV 上的所有通道都是打開(kāi)的。4200A-CVIV 的四個(gè)通道將根據(jù)每次測(cè)試的配置進(jìn)行配置，因此每次測(cè)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(cè)量
Clarius的庫(kù)有兩個(gè)在mosfet上執(zhí)行三端電容測(cè)量的項(xiàng)目。這兩個(gè)項(xiàng)目在 Clarius 中配置相似，不同之處在于能力。一個(gè)項(xiàng)目，“MOSFET 3-terminal C-V Test Using 4200A-CVIV Bias Tees”使用一個(gè)SMU加到漏端，從0到200V直流偏置電壓掃描。另一個(gè)項(xiàng)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(shí)使用三個(gè)SMU掃描，每個(gè)器件端口上一個(gè)SMU，提供一個(gè)400V直流差分電壓。
圖7. 使用SweepV用戶模塊的MOSFET-CVIV-CV-Bias-Tees項(xiàng)目
圖7顯示了“使用4200A-CVIV BiasT的MOSFET3端C-V測(cè)試”項(xiàng)目，該項(xiàng)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(gè)端口處進(jìn)行電容測(cè)量。首先，進(jìn)行開(kāi)路和短路補(bǔ)償，以確保準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)量，并在項(xiàng)目樹(shù)中提供。在執(zhí)行任何測(cè)試之前，將對(duì)每個(gè)測(cè)試執(zhí)行補(bǔ)償。4200A可以存儲(chǔ)對(duì)每個(gè)配置的補(bǔ)償，可以執(zhí)行多個(gè)測(cè)試。該項(xiàng)目有五種不同的配置：CISS、CRSS、COSS、CGS和CDS 。
CVIV配置
必須為每個(gè)測(cè)試配置CVIV。CVIV有許多輸出模式，這些都在用戶手冊(cè)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(duì)每個(gè)元件和電路級(jí)電容測(cè)量的CVIV的每個(gè)通道的狀態(tài)。
圖8顯示了CGS的配置，當(dāng)SMU在漏極處掃描直流電壓時(shí)，該測(cè)試測(cè)量了MOSFET的柵極和源極之間的電容。圖9顯示了CDS的配置，當(dāng)SMU在漏極處掃描直流電壓時(shí)，該測(cè)試測(cè)量了漏極和源極之間的電容。圖10顯示了CRSS配置。該測(cè)試測(cè)量MSMU掃掃漏極直流電壓時(shí)MOSFET的反向傳輸電容。
圖11顯示了CISS的配置，該測(cè)試測(cè)量MSU掃描直流電壓時(shí)，MOSFET的輸入電容。圖12顯示了COSS配置，該測(cè)試在SMU掃描漏極的直流電壓時(shí)測(cè)量MOSFET的輸出電容。一旦執(zhí)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)就會(huì)被繪制出來(lái)。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(kāi)關(guān)同時(shí)掃描多個(gè)SMU，將MOSFET器件的輸出電壓翻倍至400V的新方法。這些測(cè)試通常在OFF狀態(tài)（VGS = 0V）下進(jìn)行。通常在漏極有一個(gè)掃描SMU，使用4200A-CVIV內(nèi)置的偏置能力，在每個(gè)終端測(cè)量電容。
圖14. 三個(gè)SMU同時(shí)掃描
圖14顯示了連接到MOSFET的三個(gè)端口的三個(gè)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(shí)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(gè)400V的掃描電壓。此方法僅用于封裝器件，而不適用于晶圓級(jí)設(shè)備。
這些測(cè)量是使用multiple SMU_SweepV用戶模塊執(zhí)行的，可在hivcvulib用戶庫(kù)中獲得。
圖15. 輸出高達(dá)400V直流差分的項(xiàng)目
圖 15 顯示了使用用戶模塊Multiple SMU_SweepV的4200A-CVIV Bias Tee項(xiàng)目進(jìn)行高達(dá)400V的MOSFET三端口C-V測(cè)試。項(xiàng)目樹(shù)的設(shè)置方式與上一個(gè)項(xiàng)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(gè)SMU。默認(rèn)情況下，測(cè)試應(yīng)該在Drain上從0掃到400V。柵極和源極SMU應(yīng)同時(shí)在相同的電壓下掃描。用戶還能夠根據(jù)被測(cè)試設(shè)備的阻抗來(lái)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(cè)試MOSFET上高達(dá)400V的C-V掃描圖。差分電壓為一個(gè)計(jì)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(gè)端口上的掃描電壓。Diffvoltage是計(jì)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(kāi)關(guān)速度受到元件本身電容的影響。本應(yīng)用程序說(shuō)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(cè)量，從而減少了用戶錯(cuò)誤并允許自動(dòng)測(cè)試。它還允許直接測(cè)量電路級(jí)電容，而不需要通過(guò)組件級(jí)電容，這允許電路級(jí)設(shè)計(jì)者更快地獲得所需的數(shù)據(jù)。
此外，當(dāng)在三端器件上測(cè)量電容時(shí)，通常有一個(gè)端子不包括在測(cè)量中，其電容可能會(huì)影響整體測(cè)量。在每個(gè)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(guò)同時(shí)使用三臺(tái)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(shí)掃描，以避免設(shè)備的開(kāi)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(cè)試更高功率的半導(dǎo)體，如GaN。
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