Einleitung
Leistungs-MOSFETs werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt und eignen sich für Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Die Schaltgeschwindigkeit des Bauelements wird durch die internen Kapazitäten beeinflusst, die in den Datenblättern typischerweise in Form von Ciss und Coss angegeben werden und von der Eingangs-Gate- und Drain-Kapazität Cgs und Cgd abgeleitet werden. Neben der Angabe der Kapazität kann die Schaltleistung des MOSFET auch anhand der Gate-Ladung (Qgs und Qgd) beurteilt werden.
Eine Methode zur Messung der Gate-Ladung eines MOSFET ist in der JEDEC-Norm JESD24-2, „Gate Charge Test Method“, beschrieben. Bei dieser Methode wird ein Gate-Strom erzwungen, während die Gate-Source-Spannung als Funktion der Zeit gemessen wird. Aus der resultierenden Gate-Spannungswellenform lassen sich die Gate-Source-Ladung (Qgs), die Gate-Drain-Ladung (Qgd) und die Gate-Ladung (Qg) ableiten.
Der Parameter-Analysator 4200A-SCS unterstützt die Durchführung von MOSFET-Gate-Ladungsmessungen anhand von zwei SMU-Instrumenten (Source Measure Unit) und der im System enthaltenen Gate-Ladungsmessungsprüfung. Diese Prüfung ist eine von vielen, die in der umfangreichen Prüfungsbibliothek der 4200A-SCS Clarius+ Software Suite enthalten sind. Diese Anwendungsinformation beschreibt die Messung der MOSFET-Gate-Ladung auf der Grundlage der Prüfungsmethode JEDEC Gate Charge mit dem Parameter-Analysator 4200A-SCS.
Übersicht MOSFET-Gate-Ladungsmessung
Bei der Gate-Charge-Methode wird ein fester Prüfstrom (Ig) in das Gate eines MOS-Transistors eingespeist, und die gemessene Gate-Source-Spannung (Vgs) wird gegen die in das Gate fließende Ladung aufgezeichnet. An den Drain-Anschluss wird eine feste Vorspannung angelegt. Abbildung 1 zeigt die Gate-Spannung im Verhältnis zur Gate-Ladung eines Leistungs-MOSFET.
Die Gate-Ladung (Q) wird aus dem erzwungenen Gate-Strom und der Zeit (Igdt) abgeleitet. Die Gate-Source-Ladung (Qgs) ist die Ladung, die, wie in Abbildung 1 gezeigt, erforderlich ist, um den Beginn des Plateaubereichs zu erreichen, in dem die Spannung (Vgs) nahezu konstant ist. Die Plateau- (oder Miller-) Spannung (Vpl) ist nach der JEDEC-Norm als die Gate-Source-Spannung definiert, bei der dVgs/dt auf einem Minimum liegt. Das Spannungsplateau ist der Bereich, in dem der Transistor vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand wechselt. Die Gate-Ladung, die erforderlich ist, um diese Umschaltung zu vollenden - die Ladung, die benötigt wird, um das Bauelement vom Anfang des Plateaubereichs zum Ende zu schalten - ist als Gate-Drain-Ladung (Qgd) definiert und wird als Miller-Ladung bezeichnet. Die Gate-Ladung (Qg) ist die Ladung vom Ursprung bis zu dem Punkt, an dem die Gate-Source-Spannung (Vgs) gleich einem bestimmten Maximalwert (VgsMax) ist.
S1 ist die Steigung des Liniensegments vom Ursprung zum ersten Plateaupunkt. S2 ist die Steigung des Liniensegments vom letzten Plateaupunkt bis zum angegebenen Maximalwert der Gate-Spannung (VgsMax). Anhand der Steigungen werden Qgs und Qgd berechnet, wie in der Norm JESD24-2 festgelegt.
Abbildung 2 zeigt typische Gate- und Drain-Wellenformen als Funktion der Zeit. Wenn Zwangsstrom zum Gate geleitet wird, steigt Vgs an, bis die Schwellenspannung erreicht wird. An diesem Punkt beginnt der Drainstrom (Id) zu fließen. Wenn Cgs zur Zeit t1 aufgeladen wird, bleibt Id konstant, und die Drain-Spannung (Vd) nimmt ab. Vgs bleibt konstant, bis das Ende des Plateaus erreicht ist. Sobald Cgd zum Zeitpunkt t2 geladen ist, steigt die Gate-Source-Spannung (Vgs) wieder an, bis sie die angegebene maximale Gate-Spannung (VgsMax) erreicht.
Verwendung des 4200A-SCS für MOSFET-Gate-Ladungsmessungen
Das 4200A-SCS misst die Gate-Ladung eines Leistungs-MOSFET mithilfe von zwei SMU-Instrumenten. Abbildung 3 zeigt das grundlegende Schaltbild der Gate-Ladungsprüfung. Der Force-HI-Anschluss einer SMU (SMU1) ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden und erzwingt den Gate-Strom (Ig) und misst die Gate-Source-Spannung (Vgs) als Funktion der Zeit. Eine zweite SMU (SMU2) legt eine feste Spannung (Vds) an den Drain bei einer bestimmten Stromkonformität (Ib) an. Der maximale Compliance-Strom der 4200-SMU beträgt 0,1 A; der maximale Compliance-Strom der 4210-SMU beträgt 1 A.
Während der Prüfung der Gate-Ladung steigt die Gate-Spannung und schaltet den Transistor ein. Während dieses Übergangs im Plateaubereich schaltet die Drain-SMU (SMU2) von der Spannungssteuerung in den Stromsteuerungsmodus um, da der Strom den spezifizierten Compliance-Pegel überschreitet. Die Software liefert die Transienten für den Drainstrom und die Drainspannung während des Übergangs vom AUS- zum EIN-Zustand.
Der Source-Anschluss des MOSFET ist mit dem Force-LO-Anschluss oder GNDU des 4200A-SCS-Chassis verbunden.
Konfigurieren der Clarius+-Software für MOSFET-Gate-Ladungsmessungen
Die Gate-Ladungs-Prüfung befindet sich sowohl in der Prüfungs- als auch in der Projektbibliothek, die Sie im Auswahlfenster durch die Suche nach dem Begriff „Gate Charge“ finden können. Sobald Sie die Prüfung in der Prüfungsbibliothek gefunden haben, können Sie diese einem Projekt hinzufügen, indem Sie sie auswählen und der Projektstruktur hinzufügen. Diese Prüfung wurde aus dem Benutzermodul gate_charge in der GateCharge Benutzerbibliothek erstellt.
Eingabeparameter eingeben
Vor der Durchführung der Prüfung müssen Sie die Eingabe der Prüfparameter im Konfigurationsbereich der Clarius Software eingeben (Abbildung 4). Die Eingabeparameter variieren je nach Bauelement und verwendetem SMU-Modell.
Beschreibungen der Eingabeparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Geben Sie zunächst die SMU-Nummern ein, die mit dem Gate (gateSMU) und dem Drain (drainSMU) des MOSFET verbunden sind. Der Source-Anschluss sollte immer mit GNDU oder Force LO verbunden sein.
Die Zwangsstromstärke, die von der gateSMU zum Gate geleitet wird, ist der Parameter gateCurrent (Ig). Die Drain-Spannung (Vds) ist die an den Drain angelegte Vorspannung und drainLimitI ist der Compliance-Strom der Drain-SMU.
Mit dem Parameter Coffset wird die Offset-Kapazität korrigiert. Er wird in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Tabelle 1. Eingabeparameter für das gate_charge-Benutzermodul.
| Eingabeparameter | Wertebereich | Standardwerte | Beschreibung |
| gateSMU | SMU1 bis SMU9 | SMU1 | Die mit dem Gate-Terminal verbundene SMU-Nummer |
| drainSMU | SMU1 bis SMU9 | SMU2 | Die mit dem Drain-Terminal verbundene SMU-Nummer |
| Quelle | GNDU | GNDU | Der Source-Anschluss ist immer mit dem Force LO-Anschluss an GNDU verbunden. |
| Vds | ±200 V | 10 V | Die Größe der Drain-Vorspannung der Drain-SMU |
| drainLimitI | 4200-SMU: 0,1 A 4210-SMU: 1 A |
0,1 A | Strom-Compliance des Drain-SMU |
| gateCurrent | ± 1E-5 A | 1e-7 A | Die Größe des Gate-Stroms des Gate-SMU |
| VgsMax | ±200 V | 10 V | Der maximale Spannungspegel der Gate-SMU. |
| Timeout | 0 bis 300 s | 60 Sek. | Die Anzahl der Sekunden vor einem Timeout. |
| measDrain | 1 (ja) oder 0 (nein) | 1 | Zurückgemessener Drainstrom |
| Coffset | 0 oder Ceff | 0 | Führen Sie die Prüfung mit offenem Stromkreis durch und geben Sie dann den zurückgegebenen Ceff-Wert in das Blatt ein. |
Korrektur von Offset-Kapazitäten
Je nach Verkabelung und Anschlüssen des Messsystems kann die Offset-Kapazität im Bereich von einigen Picofarad bis zu mehreren Hundert Picofarad liegen. Diese Kapazitäten können korrigiert werden, indem Sie das Benutzermodul gate_charge mit einem offenen Stromkreis ausführen, die Offset-Kapazität ermitteln und dann den Wert der Offset-Kapazität zur Kompensation in die Software eingeben. So führen Sie diese Schritte aus:
- Messen Sie die Offset-Kapazität. Stellen Sie die Prüfparameter einschließlich des Eingangsstroms so ein, als ob das Bauelement an die SMUs angeschlossen wäre. (Erhöhen Sie VgsMax nur für die Ceff-Messung.) Heben Sie vor der Durchführung der Prüfung die Tastköpfe an oder nehmen Sie das Bauelement aus der Prüfvorrichtung. Führen Sie die Gate-Ladungsprüfung mit einem offenen Stromkreis durch.
- Ermitteln Sie die Offset-Kapazität. Nachdem die Prüfung durchgeführt wurde, wird die gemessene Offset-Kapazität des Systems berechnet und in der Spalte „Ceff“ auf dem Blatt angezeigt. Ceff wird aus der maximalen Gate-Spannung, dem Gate-Strom und der Zeit abgeleitet.
Da bei diesem Schritt ein offener Stromkreis gemessen wird, kann nach der Ausführung der Prüfung ein Prüfstatuswert von -9 oder -12 im Blatt angezeigt werden. Dies liegt daran, dass kein Bauelement gemessen wird und es daher keinen Plateaubereich gibt. Der Ceff-Wert ist jedoch korrekt und kann als Coffset in die Konfigurationsansicht eingegeben werden. - Geben Sie die gemessene Offset-Kapazität ein, und führen Sie die Messungen aus. Geben Sie die gemessene Offset-Kapazität Ceff für Coffset in die Konfigurationsansicht ein. Standardmäßig beträgt Coffset 0 F. Bei nachfolgenden Messungen wird die Offset-Kapazität kompensiert.
Prüfungen ausführen
Nach der Eingabe der Eingabeparameter führen Sie die Prüfung aus, indem Sie oben auf dem Bildschirm Run (Ausführen) wählen. Während der Prüfung wird die Wellenform der Gate-Ladung im Diagramm in der Analyseansicht in Echtzeit aktualisiert, und die berechneten Ausgangsparameter werden im Blatt angezeigt.
Ausgabeparameter anzeigen
Nach Abschluss der Prüfung werden mehrere Parameter an das Blatt zurückgegeben. Tabelle 2 enthält die Beschreibung dieser Parameter.
Tabelle 2. Ausgabeparameter für das Benutzermodul gate_charge.
| Ausgabeparameter | Beschreibung |
| gate_charge | Prüfstatuswerte - Beschreibungen siehe Tabelle 3 |
| timeArray | Gemessene Zeit (in Sekunden) |
| VgArray | Gemessene Gate-Source-Spannung (Volt) |
| VgCharge | Gemessene Gate-Ladung (Coulomb) |
| VdArray | Gemessene Drain-Spannung (Volt) |
| IdArray | Gemessener Drainstrom (Ampere) |
| Flanke | Dynamische Steigung (dVg/dt) der Gate-Spannung |
| Ceff | Verhältnis von Gate-Ladung zu maximaler Gate-Spannung |
| Vpl | Plateau- oder Miller-Spannung (Volt) |
| T1 | Zeitstempel, ab dem der Plateaubereich beginnt (Sekunden) |
| T2 | Zeitstempel, an dem der Plateaubereich endet (Sekunden) |
| Qgs | Gate-Ladung vom Ursprung bis zum ersten Wendepunkt bzw. dem Spannungsplateau (Coulomb) |
| Qgd | Gate-Ladung zwischen den beiden Wendepunkten in der Gate-Ladungskennlinie (Coulomb) |
| Qg | Gate-Ladung vom Ursprung bis VgsMax (Coulomb) |
Grafische Darstellung der Ergebnisse
Die resultierende Gate-Source-Spannung kann als Funktion der Gate-Ladung oder des Drainstroms aufgezeichnet werden, und die Drain-Spannung kann als Funktion der Zeit aufgezeichnet werden. Abbildung 5 zeigt eine typische Gate-Spannungswellenform, die vom 4200A-SCS erzeugt wurde.
Neben der Aufzeichnung von Vgs, Vds und Id können Sie auch eine Funktion der MOSFET-Gate-Ladung oder der Zeit aufzeichnen. Abbildung 6 zeigt das Diagramm in der Analyseansicht der Clarius Software, in dem alle drei Parameter als Funktion der Gate-Ladung dargestellt werden. In diesem Fall wird die Spannung auf der Y1-Achse und der Strom auf der Y2-Achse dargestellt.
Prüfstatus prüfen
Bei jeder Ausführung der Prüfung wird ein Prüfstatuswert in der ersten Blattspalte mit der Bezeichnung „gate_charge“ zurückgegeben. Tabelle 3 führt die zurückgegebenen Prüfstatuswerte in der Spalte „gate_charge“ und die entsprechenden Beschreibungen und Hinweise auf.
Tabelle 3. Prüfstatuswerte
| Teststatus | Beschreibung | Hinweise |
| 1 | Keine Fehler. | Prüfung erfolgreich. |
| -1 | Gate-SMU ist nicht vorhanden | Geben Sie die richtige SMU an. |
| -2 | Drain-SMU ist nicht vorhanden | Geben Sie die richtige SMU an. |
| -3 | VgsMax > 200 V | Überprüft, ob die Gate-Spannung unter 200 V liegt. Reduzieren Sie die Gate-Spannung. |
| -4 | Drainstrom-Grenzwert überschreitet 1 A (4210-SMU) Drainstrom-Grenzwert überschreitet 0,1 A (4200-SMU) |
Überprüft, ob der Drainstrom weniger als 1 A beträgt (oder 0,1 A für SMU mit mittlerer Leistung). Reduzieren Sie den Drainstrom-Grenzwert (drainLimitI). |
| -5 | Leistungsgrenze überschritten | Der Strom sollte < 0,1 A betragen, wenn V > 20 V. Verringern Sie den Drainstrom-Grenzwert (drainLimitI) oder die Drainspannung (Vds). |
| -6 | Fehlerprüfung der Eingabebedingungen. Begrenzt den Wert für timeOut auf 200 s. | Legen Sie den Wert für timeOut auf <200 s fest. |
| -7 | Die Prüfzeit überschreitet das angegebene Zeitlimit (timeOut). | Erhöhen Sie den Wert von timeOut. Der Maximalwert beträgt 200 s. Erhöhen Sie den Wert für gateCurrent, um das Bauelement schneller aufzuladen. |
| -8 | Anzahl der Iterationen/Messungen > 10000. | Erhöhen Sie den Wert für den Gate-Strom (gateCurrent). |
| -9 | Anzahl der Iterationen/Messungen < 5 | Vermindern Sie den Wert für den Gate-Strom (gateCurrent). Prüfen Sie das Bauelement, den Prüfaufbau und die korrekte SMU. Dieser Fehler kann ignoriert werden, wenn er beim Messen eines offenen Stromkreises zur Offsetkorrektur auftritt. Der Ceff-Wert ist weiterhin gültig. |
| -10 | Die Anzahl der Punkte vom Ursprung bis zum ersten Plateaupunkt beträgt < 10 | Vermindern Sie den Wert für den Gate-Strom (gateCurrent). |
| -11 | Fehler beim Berechnen der Steigung, S1. Korrelationsfaktor < 0,9. Die Kennlinie vom Ursprung zum ersten Plateaupunkt ist nicht linear. | Prüfen Sie das Bauelement und den Prüfaufbau. |
| -12 | Fehler beim Berechnen der Steigung, S2. Korrelationsfaktor < 0,9. Die Kennlinie vom letzten Plateaupunkt bis VgsMax ist nicht linear. | Prüfen Sie das Bauelement und den Prüfaufbau. Wenn VgCharge oder VdArray hoch erscheinen, reduzieren Sie den Wert für GateCurrent und wiederholen Sie die Prüfung. Dieser Fehler kann ignoriert werden, wenn er beim Messen eines offenen Stromkreises zur Offsetkorrektur auftritt. Der Ceff-Wert ist weiterhin gültig. |
| -13 | VgsMax > 200 V | Verringern Sie die Drainspannung. |
| -14 | gateCurrent > 10 µA | Verringern Sie den Gate-Strom (Ig). |
Fazit
MOSFET-Gate-Ladungsmessungen an Transistoren können Sie ganz einfach mit dem Keithley Parameter-Analysator 4200A-SCS durchführen. Unter Verwendung von zwei SMU-Instrumenten, die an das Gate und den Drain des Bauelements angeschlossen sind, leitet die Clarius Software mühelos die Gate-Ladungswellenformen ab.
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