【導讀】MOSFET

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

MOSFET
、IGBT和BJT等(deng)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)受(shou)到(dao)元(yuan)件(jian)本(ben)身(shen)的(de)電(dian)容(rong)的(de)影(ying)響(xiang)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)電(dian)路(lu)的(de)效(xiao)率(lv)
，設(she)計(ji)者(zhe)需(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)。例(li)如(ru)，設(she)計(ji)一(yi)個(ge)高(gao)效(xiao)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)將(jiang)要(yao)求(qiu)設(she)計(ji)者(zhe)知(zhi)道(dao)設(she)備(bei)的(de)電(dian)容(rong)
，因(yin)為(wei)這(zhe)將(jiang)影(ying)響(xiang)開(kai)關(guan)速(su)度(du)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)效(xiao)率(lv)。這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)通(tong)常(chang)在(zai)MOSFET的指標說明書中提供。

圖1. 功率MOSFET的組件級電容

三端功率半導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係。對BJT和IGBT器件也可以進行類似的電容測量。

關係如下：

• 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。本應用程序說明了如何使用4200A-CVIV開關提供的偏置功能以及在Clarius中測量CISS 、COSS和CRSS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，進行漏極上更高電壓的測量
，這有利於測試更高功率的半導體，如GaN器件。該功能已在Clarius V1.6以上的版本添加並更新。

一、設備連接

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

• 內置項目可測量高達200V和400V的CISS、 CRSS和COSS。

• 4200A-CVIV開關支持自動測量。不需要重新連接設備或電纜。

• 開路和短路的C-V補償。

圖5顯示了MOSFET與CVIV的連接。對於這個特定的應用程序

，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 的四個通道將根據每次測試的配置進行配置，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
，不同之處在於能力。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yong戶hu模mo塊kuai。該gai用yong戶hu模mo塊kuai允yun許xu在zai漏lou極ji處chu進jin行xing一yi次ci掃sao描miao，並bing在zai器qi件jian每mei個ge端duan口kou處chu進jin行xing電dian容rong測ce量liang。首shou先xian，進jin行xing開kai路lu和he短duan路lu補bu償chang
，以yi確que保bao準zhun確que的de測ce量liang。執zhi行xing這zhe些xie補bu償chang需xu要yao執zhi行xing特te定ding的de配pei置zhi步bu驟zhou。它ta們men被bei稱cheng為wei補bu償chang測ce量liang，並bing在zai項xiang目mu樹shu中zhong提ti供gong。在zai執zhi行xing任ren何he測ce試shi之zhi前qian
，將jiang對dui每mei個ge測ce試shi執zhi行xing補bu償chang。4200A可以存儲對每個配置的補償
，可以執行多個測試。該項目有五種不同的配置：CISS、CRSS、COSS、CGS和CDS 。

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。

圖8顯示了CGS的配置
，當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CDS的配置，當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CRSS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顯示了CISS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COSS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。一旦執行了測試，數據就會被繪製出來。圖13顯示了由4200A生成的MOSFET的電容特性數據。

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（VGS = 0V）下進行。通常在漏極有一個掃描SMU，使用4200A-CVIV內置的偏置能力，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端產生一個400V的掃描電壓。此方法僅用於封裝器件，而不適用於晶圓級設備。

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

圖15. 輸出高達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項目進行高達400V的MOSFET三端口C-V測試。項目樹的設置方式與上一個項目相同。所有的CVIV配置操作，包括補償，都以完全相同的方式完成。唯一的區別是
，還必須配置另外兩個SMU。默認情況下，測試應該在Drain上從0掃到400V。柵極和源極SMU應同時在相同的電壓下掃描。用戶還能夠根據被測試設備的阻抗來改變CVU設置


，如頻率
、範圍和速度。

圖16. MOSFET掃描到400V的電容特性

圖17. 400V掃描的輸出數據

圖16顯示了由4200A-SCS中測試MOSFET上高達400V的C-V掃描圖。差分電壓為一個計算值。區別在於漏極和源極之間的電壓不同。圖17顯示了輸出數據，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

MOSFET、IGBT和BJT等半導體器件的開關速度受到元件本身電容的影響。本應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(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)進(jin)行(xing)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)了(le)用(yong)戶(hu)錯(cuo)誤(wu)並(bing)允(yun)許(xu)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)。它(ta)還(hai)允(yun)許(xu)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)級(ji)電(dian)容(rong)，而(er)不(bu)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)組(zu)件(jian)級(ji)電(dian)容(rong)，這(zhe)允(yun)許(xu)電(dian)路(lu)級(ji)設(she)計(ji)者(zhe)更(geng)快(kuai)地(di)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)數(shu)據(ju)。

此ci外wai，當dang在zai三san端duan器qi件jian上shang測ce量liang電dian容rong時shi，通tong常chang有you一yi個ge端duan子zi不bu包bao括kuo在zai測ce量liang中zhong
，其qi電dian容rong可ke能neng會hui影ying響xiang整zheng體ti測ce量liang。在zai每mei個ge端duan口kou使shi用yong偏pian置zhi網wang絡luo消xiao除chu了le外wai部bu電dian容rong或huo短duan路lu的de影ying響xiang。

我們還展示了一種新的方法，通過同時使用三台SMU進行掃頻，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，以避免設備的開態狀態的影響。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。這支持在漏極處進行高達400V的電壓掃描，這有利於測試更高功率的半導體，如GaN。

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