Giới thiệu
MOSFET công suất được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau và có thể được sử dụng làm chuyển mạch tốc độ cao. Tốc độ chuyển mạch của thiết bị bị ảnh hưởng bởi điện dung bên trong, thường được chỉ định trong bảng dữ liệu dưới dạng Ciss và Coss, được lấy từ cổng đầu vào và điện dung xả, Cgs và Cgd. Ngoài việc xác định điện dung, điện tích cổng (Qgs và Qgd) cũng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất chuyển mạch của MOSFET.
Một phương pháp đo điện tích cổng của điện tích cổng MOSFET được mô tả trong tiêu chuẩn JEDEC JESD24-2, "Phương pháp kiểm tra điện tích cổng". Trong phương pháp này, một dòng điện cổng bị ép buộc trong khi điện áp cổng tới nguồn được đo như một hàm của thời gian. Từ dạng sóng điện áp cổng thu được, ta tính được điện tích nguồn cổng (Qgs), điện tích xả cổng (Qgd) và điện tích cổng (Qg).
Máy phân tích tham số 4200A-SCS hỗ trợ thực hiện các phép đo điện tích cổng MOSFET bằng cách sử dụng hai thiết bị đo nguồn (SMU) và kiểm tra đo điện tích cổng có trong hệ thống. Kiểm tra này là một trong nhiều thử nghiệm có trong Thư viện kiểm tra mở rộng được cung cấp trong Bộ phần mềm 4200A-SCS Clarius+. Ghi chú ứng dụng này mô tả cách đo điện tích cổng MOSFET dựa trên Phương pháp kiểm tra điện tích cổng JEDEC bằng Máy phân tích tham số 4200A-SCS.
Tổng quan về đo điện tích cổng MOSFET
Trong Phương pháp điện tích cổng, một dòng điện kiểm tra cố định (Ig) được đưa vào cổng của MOS, bóng bán dẫn và điện áp nguồn cổng đo được (Vgs) được vẽ theo điện tích chạy vào cổng. Một điện áp cố định được áp dụng cho cực xả. Hình 1 cho thấy điện áp cổng so với điện tích cổng của MOSFET nguồn.
Điện tích cổng (Q) được lấy từ dòng điện và thời gian cổng cưỡng bức, (Igdt). Điện tích nguồn cổng (Qgs) là điện tích cần thiết, như trong Hình 1, để đạt đến điểm bắt đầu của vùng bình nguyên nơi điện áp (Vgs) gần như không đổi. Điện áp ổn định (hoặc Miller) (Vpl) được định nghĩa, theo tiêu chuẩn JEDEC, là điện áp nguồn cổng khi dVgs/dt ở mức tối thiểu. Cao nguyên điện áp là vùng khi bóng bán dẫn chuyển từ trạng thái TẮT sang trạng thái BẬT. Điện tích cổng cần thiết để hoàn thành quá trình chuyển đổi này—điện tích cần thiết để chuyển mạch thiết bị từ đầu vùng ổn định đến cuối—được định nghĩa là điện tích cổng-xả (Qgd) và được gọi là điện tích Miller. Điện tích cổng (Qg) là điện tích từ điểm gốc đến điểm mà điện áp nguồn cổng (Vgs) bằng một mức tối đa xác định (VgsMax).
S1 là độ dốc của đoạn thẳng từ gốc đến điểm bình nguyên đầu tiên. S2 là độ dốc của đoạn đường từ điểm ổn định cuối cùng đến điện áp cổng cực đại quy định (VgsMax). Độ dốc được sử dụng để tính Qgs và Qgd, như được chỉ định trong tiêu chuẩn JESD24-2.
Hình 2 cho thấy dạng sóng cổng và xả điển hình là hàm của thời gian. Khi dòng điện chạy tới cổng, Vgs tăng cho đến khi đạt đến điện áp ngưỡng. Tại thời điểm này, dòng xả ( Id) bắt đầu chảy. Khi Cgs được nạp vào thời điểm t1, Id không đổi và điện áp tiêu hao (Vd) giảm. Vgs không đổi cho đến khi đạt đến điểm cuối của vùng bình nguyên. Khi Cgd được sạc tại thời điểm t2, điện áp nguồn cổng (Vgs) bắt đầu tăng trở lại cho đến khi đạt đến điện áp cổng tối đa xác định (VgsMax).
Sử dụng 4200A-SCS để đo điện tích cổng MOSFET
4200A-SCS đo điện tích cổng của MOSFET công suất bằng hai thiết bị SMU. Hình 3 minh họa sơ đồ mạch cơ bản của kiểm tra điện tích cổng. Cực Force HI của một SMU (SMU1) được kết nối với cực cổng của MOSFET và ép dòng điện cổng (Ig) và đo điện áp nguồn cổng (Vgs) dưới dạng hàm của thời gian. SMU thứ hai (SMU2) áp một điện áp cố định (Vds) đến xả ở mức tuân thủ dòng điện xác định (Ib). Dòng tuân thủ tối đa của 4200-SMU là 0,1 A; mức tuân thủ tối đa của 4210-SMU là 1 A.
Trong quá trình kiểm tra điện tích cổng, điện áp cổng tăng lên và BẬT bóng bán dẫn. Trong quá trình chuyển đổi ở vùng bình nguyên này, SMU xả (SMU2) chuyển từ chế độ điều khiển điện áp sang chế độ điều khiển dòng điện do dòng điện vượt quá mức tuân thủ quy định. Phần mềm trả về giá trị quá độ dòng xả và điện áp xả trong quá trình chuyển từ trạng thái TẮT sang trạng thái BẬT.
Thiết bị đầu cuối nguồn của MOSFET được kết nối với thiết bị đầu cuối Force LO hoặc GNDU của khung 4200A-SCS.
Cấu hình phần mềm Clarius+ để đo điện tích cổng MOSFET
Kiểm tra Điện tích cổng nằm trong cả Thư viện kiểm tra và dự án, bạn có thể tìm thấy thư viện này trong bảng Select (Chọn) bằng cách tìm kiếm cụm từ "gate charge" (điện tích cổng). Khi tìm thấy kiểm tra trong Thư viện thử nghiệm, kiểm tra có thể được thêm vào dự án bằng cách chọn và thêm nó vào cây dự án. Kiểm tra này được tạo từ mô-đun người dùng gate_charge trong thư viện người dùng GateCharge.
Nhập thông số đầu vào
Trước khi thực hiện kiểm tra, bạn cần nhập các tham số kiểm tra đầu vào vào bảng Configure (Cấu hình) của Phần mềm Clarius (Hình 4). Các thông số đầu vào sẽ khác nhau tùy thuộc vào thiết bị và model SMU được sử dụng.
Mô tả các tham số đầu vào được liệt kê trong Bảng 1. Đầu tiên, nhập các số SMU được kết nối với cổng (gateSMU) và xả (drainSMU) của MOSFET. Thiết bị đầu cuối nguồn phải luôn được kết nối với GNDU hoặc Force LO.
Độ lớn của dòng điện do cổng SMU ép tới cổng là tham số GateCurrent (Ig). Điện áp xả (Vds) là điện áp phân cực cấp cho xả và DrainLimitI là dòng điện tuân thủ của SMU xả.
Tham số Coffset được sử dụng để hiệu chỉnh điện dung bù và được mô tả trong các đoạn sau.
Bảng 1. Tham số đầu vào cho mô-đun người dùng gate_charge.
| Thông số đầu vào | Phạm vi giá trị | Giá trị mặc định | Mô tả |
| gateSMU | SMU1-SMU9 | SMU1 | Số SMU được kết nối với thiết bị đầu cuối cổng |
| drainSMU | SMU1-SMU9 | SMU2 | Số SMU được kết nối với thiết bị đầu cuối xả |
| Nguồn | GNDU | GNDU | Thiết bị đầu cuối nguồn luôn được kết nối với thiết bị đầu cuối Force LO trên GNDU |
| Vds | ± 200 V | 10 V | Độ lớn của điện áp phân cực xả của SMU xả |
| drainLimitI | 4200-SMU: 0,1A 4210-SMU: 1 A |
0,1 A | Sự tuân thủ hiện tại của SMU xả |
| gateCurrent | ± 1E-5 A | 1e-7 A | Độ lớn dòng điện cổng của cổng SMU |
| VgsMax | ± 200V | 10 V | Mức điện áp tối đa của cổng SMU. |
| Hết thời gian chờ | 0 đến 300 giây | 60 giây | Số giây trước khi hết thời gian chờ. |
| measDrain | 1 (có) hoặc 0 (không) | 1 | Trả về dòng xả đo được |
| Coffset | 0 hoặc Ceff | 0 | Chạy kiểm tra với mạch hở rồi nhập giá trị Ceff trả về Trang tính |
Đúng cho điện dung bù
Tùy thuộc vào hệ thống cáp và kết nối của hệ thống đo lường, điện dung bù có thể ở phạm vi picofarad đơn lẻ đến hàng trăm picofarad. Các điện dung này có thể được điều chỉnh bằng cách thực thi mô-đun người dùng gate_charge với mạch hở, lấy điện dung bù, sau đó nhập giá trị điện dung bù vào phần mềm để bù. Dưới đây là cách thực hiện các bước này:
- Đo điện dung bù. Thiết lập các tham số kiểm tra bao gồm dòng điện cổng đầu vào như thể thiết bị được kết nối với SMU. (Tăng VgsMax chỉ cho phép đo Ceff.) Trước khi thực hiện kiểm tra, hãy nhấc que đo hoặc tháo thiết bị ra khỏi thiết bị kiểm tra. Thực hiện kiểm tra Điện tích cổng với mạch hở.
- Lấy điện dung bù. Sau khi thực hiện kiểm tra, điện dung bù đo được của hệ thống sẽ được tính toán và xuất hiện trong cột Ceff trong Trang tính. Ceff được lấy từ điện áp cổng tối đa, dòng điện cổng và thời gian.
Vì mạch hở được đo trong bước này nên Giá trị trạng thái kiểm tra là -9 hoặc -12 có thể xuất hiện trong Trang tính sau khi thực hiện kiểm tra. Điều này là do không có thiết bị nào được đo nên không có vùng bình nguyên. Tuy nhiên, giá trị Ceff là chính xác và có thể được nhập dưới dạng Coffset trong dạng xem Cấu hình. - Nhập điện dung bù đo được và thực hiện. Nhập điện dung bù đo được, Ceff, cho Coffset trong dạng xem Cấu hình. Theo mặc định, Coffset bằng 0 F. Việc bù sẽ được thực hiện cho điện dung bù trong các lần đọc tiếp theo.
Thực hiện kiểm tra
Khi các thông số đầu vào đã được nhập, hãy thực hiện kiểm tra bằng cách chọn Run (Chạy) ở đầu màn hình. Khi kiểm tra đang chạy, dạng sóng điện tích cổng sẽ cập nhật theo thời gian thực trong biểu đồ ở dạng xem Phân tích và các tham số đầu ra được tính toán sẽ xuất hiện trong Trang tính.
Xem thông số đầu ra
Sau khi quá trình kiểm tra hoàn tất, một số tham số sẽ được trả về Trang tính. Bảng 2 liệt kê các mô tả về các tham số này.
Bảng 2. Tham số đầu ra cho mô-đun người dùng gate_charge
| Thông số đầu ra | Mô tả |
| gate_charge | Giá trị trạng thái kiểm tra - xem Bảng 3 để biết mô tả |
| timeArray | Thời gian đo (giây) |
| VgArray | Điện áp nguồn cổng đo được (vôn) |
| VgCharge | Điện tích cổng đo được (culông) |
| VdArray | Điện áp xả đo được (V) |
| IdArray | Dòng xả đo được (amps) |
| Dốc | Độ dốc động (dVg/dt) của điện áp cổng |
| Ceff | Tỷ lệ điện tích cổng với điện áp cổng tối đa |
| Vpl | Điện áp bình nguyên hoặc Miller (vôn) |
| T1 | Nhãn thời gian nơi khu vực bình nguyên bắt đầu (giây) |
| T2 | Nhãn thời gian nơi khu vực bình nguyên bắt đầu (giây) |
| Qgs | Điện tích cổng từ điểm gốc đến điểm uốn đầu tiên hoặc bình nguyên điện áp (culông) |
| Qgd | Điện tích cổng giữa hai điểm uốn trong đường cong điện tích cổng (culông) |
| Qg | Cổng tích điện từ điểm gốc tới VgsMax (culông) |
Vẽ đồ thị kết quả
Điện áp nguồn cổng thu được có thể được vẽ dưới dạng hàm của điện tích cổng hoặc dòng xả và điện áp xả có thể được vẽ dưới dạng hàm của thời gian. Hình 5 là dạng sóng điện áp cổng điển hình được tạo bởi 4200A-SCS
Ngoài việc vẽ đồ thị Vgs, Vds và Id cũng có thể được vẽ đồ thị như một hàm của điện tích hoặc thời gian cổng MOSFET. Hình 6 hiển thị biểu đồ trong dạng xem Phân tích của Phần mềm Clarius hiển thị cả ba thông số được vẽ dưới dạng hàm của điện tích cổng. Trong trường hợp này, điện áp được biểu thị trên trục Y1 và dòng điện được biểu thị trên trục Y2.
Kiểm tra trạng thái kiểm tra
Mỗi lần thực hiện kiểm tra, Giá trị trạng thái kiểm tra sẽ được trả về cột đầu tiên trong Trang tính, có tên là "gate_charge". Bảng 3 liệt kê các Giá trị trạng thái kiểm tra được trả về trong cột "gate_charge" cũng như các mô tả và ghi chú tương ứng của chúng.
Bảng 3. Giá trị trạng thái kiểm tra
| Trạng thái kiểm tra | Mô tả | Ghi chú |
| 1 | Không có lỗi | Kiểm tra thành công. |
| -1 | Cổng SMU không có mặt | Chỉ định SMU chính xác. |
| -2 | SMU xả không có mặt | Chỉ định SMU chính xác. |
| -3 | VgsMax > 200 V | Xác minh điện áp cổng nhỏ hơn 200V. Giảm điện áp cổng. |
| -4 | Giới hạn dòng xả vượt quá 1 A (4210-SMU) Giới hạn dòng xả vượt quá 0,1 A (4200-SMU) |
Xác minh dòng xả nhỏ hơn 1 A (hoặc 0,1A đối với SMU công suất trung bình). Giảm giới hạn dòng xả (drainLimitI). |
| -5 | Vượt quá giới hạn công suất | Dòng điện phải < 0,1A nếu V > 20V. Giảm giới hạn dòng xả (drainLimitI) hoặc điện áp xả (Vds). |
| -6 | Kiểm tra lỗi về điều kiện đầu vào. Giới hạn thời gian ra tới 200 giây. | Chỉ định thời gian ra đến <200 giây. |
| -7 | Thời gian kiểm tra vượt quá thời gian quy định (timeOut). | Tăng timeOut. Tối đa là 200 giây. Thử tăng cường độ cổng hiện tại để sạc thiết bị nhanh hơn. |
| -8 | Số lần lặp/đo lường >10000. | Tăng dòng điện cổng (gateCurrent). |
| -9 | Số lần lặp/đo <5 | Giảm dòng điện cổng (gateCurrent). Kiểm tra thiết bị, thiết lập kiểm tra và tìm SMU chính xác. Lỗi này có thể được bỏ qua nếu nó xảy ra trong khi đo mạch hở để hiệu chỉnh bù. Giá trị Ceff vẫn hợp lệ. |
| -10 | Số điểm từ điểm gốc đến điểm bình nguyên đầu tiên là <10 | Giảm dòng điện cổng (gateCurrent) |
| -11 | Lỗi tính toán độ dốc, S1. Hệ số tương quan < 0,9. Đường cong từ điểm gốc tới điểm bình nguyên đầu tiên không tuyến tính. | Kiểm tra thiết bị và thiết lập kiểm tra. |
| -12 | Lỗi tính toán độ dốc, S2. Hệ số tương quan < 0,9. Đường cong từ điểm bình nguyên cuối cùng đến VgsMax không tuyến tính. | Kiểm tra thiết bị và thiết lập kiểm tra. Nếu VgCharge hoặc VdArray xuất hiện ở mức cao, hãy thử giảm cổng hiện tại và lặp lại kiểm tra. Lỗi này có thể được bỏ qua nếu nó xảy ra trong khi đo mạch hở để hiệu chỉnh bù. Giá trị Ceff vẫn hợp lệ. |
| -13 | Vds > 200 V | Giảm điện áp xả. |
| -14 | gateCurrent > 10 µA | Giảm dòng điện cổng (Ig). |
Kết luận
Có thể dễ dàng thực hiện phép đo điện tích cổng MOSFET trên bóng bán dẫn bằng Máy phân tích tham số Keithley 4200A-SCS. Sử dụng hai thiết bị SMU được kết nối với cổng và xả của thiết bị, Phần mềm Clarius dễ dàng lấy được dạng sóng điện tích cổng.
Tìm thêm nhiều tài nguyên giá trị tại TEK.COM
