李飛 常婷婷

摘要：MOSFET的寄生電容是決定動態(tài)參數(shù)的根本原因，能否準(zhǔn)確測得各級間電容值對生產(chǎn)應(yīng)用有至關(guān)重要的意義。通過對四種不同結(jié)構(gòu)的MOSFET進(jìn)行電容測試，發(fā)現(xiàn)電容與測試頻率、電壓的變化趨勢，制定合理的電容測試的方法。

關(guān)鍵字：結(jié)電容、反向傳輸電容、特征頻率、負(fù)電容效應(yīng)

引言

所有功率半導(dǎo)體的核心基于PN結(jié)設(shè)計制造的，當(dāng)N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合后，在結(jié)合面處的兩側(cè)形成空間電荷區(qū)，也稱為耗盡層，當(dāng)PN結(jié)兩端的電壓變化的時候，PN結(jié)的空間電荷區(qū)的電荷也發(fā)生改變。在MOSFET器件實際的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，怎樣選擇合適的測試條件得到合理的結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用使結(jié)電容測試更有意義。

1寄生電容位置

功率MOSFET器件有四種常用的結(jié)構(gòu)，分別是：平面結(jié)構(gòu)、普通溝槽結(jié)構(gòu)、超級結(jié)結(jié)構(gòu)、屏蔽柵結(jié)構(gòu)。以最常用的平面工藝生產(chǎn)的溝槽結(jié)構(gòu)為例。根據(jù)場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)其內(nèi)部有三個內(nèi)在的寄生電容：Gata和Source的電容CGS;Gata和Drain的電容CGD，也稱為反向傳輸電容、米勒電容，Crss;Drain和Source的電容CDS。

2現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)

功率場效應(yīng)晶體管結(jié)電容測試根據(jù)GB/T 4586-1994 半導(dǎo)體器件 分立器件 第8部分：場效應(yīng)晶體管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)方法使用LCR電橋進(jìn)行測試，該測試儀采用四端對測量。四端對測量方法在進(jìn)行低阻抗和高阻抗測量方面具有明顯優(yōu)勢。外屏蔽導(dǎo)體作為測試信號電流（此電流沒有接地）的返回路徑。相同的電流流入中心導(dǎo)體和外部屏蔽導(dǎo)體（以相反的方向），但在導(dǎo)體的周圍不會產(chǎn)生外磁場（由內(nèi)部電流和外部電流產(chǎn)生的磁場完全彼此抵消）。由于測試信號電流不會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，所以測試引線不會帶來由單根引線之間的自感或引起的附加誤差。

反向傳輸電容：Crss=CGD，MOSFET器件的寄生電容的測試條件行業(yè)一般規(guī)定為：VGS=0，VDS=BVDSS/2，f=1MHz，就是使用的測量電壓為額定電壓的一半，但是大多數(shù)廠家按VDS=25V電壓測試。

3電容的特征頻率

就場效應(yīng)管自身而言，MOSFET器件電容的等效電路是由C，L，R，組成，宏觀的可以看成一個系統(tǒng)。因此，存在系統(tǒng)電磁兼容有諧振頻率，故就有了自諧振頻率值。

MOSFET器件的寄生電容的容值和自諧振頻率是芯片材料（包括電阻率、摻雜）與芯片構(gòu)造所決定的。自諧振頻率與電容的容值成反比關(guān)系。因自諧振頻率區(qū)的容抗是最大的，做為濾波的電容應(yīng)避開自諧振頻率段。但容值與頻率成反比，而容抗與容值成正比[N1]。在諧振頻率之前， 電容還保持著電容的特性， 而大于諧振頻率時，由于芯片版圖及鍵合線長度和導(dǎo)線電感的影響， 電容的作用將變成電感的作用。? ? ? 公式1，根據(jù)公式1可以計算系統(tǒng)的阻抗，如果把單只MOSFET看成一個體統(tǒng)時，此公式同樣適用。當(dāng)公式1由于頻率f的大小改變，直接影響系統(tǒng)或器件測試的結(jié)果。當(dāng)f變化使，則系統(tǒng)為“感性負(fù)載”;小于零則系統(tǒng)為 “容性負(fù)載”;等于零則系統(tǒng)為 “阻性負(fù)載”。f為系統(tǒng)的諧振頻率，在MOFET器件的寄生電容測試中為器件測試的自諧振頻率點。

MOSFET的電容都是非線性的變化的，是直流偏置電壓的函數(shù)。所有的MOSFET的寄生電容來源于偏置的氧化物電容和依賴于偏置的硅耗盡層電容的組合。由于器件里的耗盡層受到了電壓影響，電容CGS和CGD隨著所加電壓的變化而變化。電容隨著VDS電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。當(dāng)電壓增加時，和VDS相關(guān)電容的減小來源于耗盡層電容減小，耗盡層區(qū)域擴大。然而相對于CGD，CGS受電壓的影響非常小，CGD受電壓影響程度是CGS的100倍以上。

在MOFET器件的寄生電容測試中VDS的電壓越大電容測量結(jié)果越小，實際應(yīng)用時可根據(jù)器件BVDSS電壓及工作環(huán)境確定即可。目前僅剩下測試頻率的選擇，選擇一個合適的頻率點是測試的關(guān)鍵所在。

4不同結(jié)構(gòu)測試

本文對4種不同結(jié)構(gòu)的功率MOSFET器件進(jìn)行，變化頻率進(jìn)行研究。表2是試驗樣品的詳細(xì)情況[N5]。

本文選取表2內(nèi)的五種樣品各一只進(jìn)行寄生電容測試。由于Ciss、Coss電容是兩個部位容值之和，再者器件容量的變化主要取決于柵極的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝。本測試僅對Crss（G端與D端容值）容值在固定VDS電壓下改變頻率進(jìn)行測試分析。

使用器件生產(chǎn)廠家給出結(jié)電容測試電壓VDS=25V、頻率從1KHz起步每次步進(jìn)2KHz直至廠家規(guī)定的1MHz進(jìn)行測試，每只器件測試5次求得算數(shù)平均值作為最終的測試結(jié)果。本結(jié)果使用日本JUNO公司生產(chǎn)的TDS-2000自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電容測試模塊為安捷倫LCR測試儀E4980A，該儀器通過第三方校準(zhǔn)。

WVM7N60代表的普通VD MOSFET與LSC65R380HT代表的高壓超級結(jié) MOSFET器件的CRSS隨頻率變化曲線基本相似，走勢隨頻率的增加頻率緩慢下降。原因是這兩種結(jié)構(gòu)的芯片柵極結(jié)構(gòu)完全一樣，因此得出柵漏寄生電容隨頻率變化一致。

WVM110N06和IRFP250器件是不同廠家的普通 Trench結(jié)構(gòu)。CRSS隨頻率變化曲線基本相似，走勢隨頻率的增加容值都有一個迅速下降的臺階，過了快速下降的頻率點后容值隨頻率增加而緩慢下降。原因是這種溝槽柵設(shè)計使得柵表面積過大而引起容值大于其他結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)溝都有固定頻率在測試頻率未超過固定頻率時容值隨頻率變大而緩慢減小，在測試頻率為固定頻率時，容值斷崖式下降，之后緩慢下降。

對LNB10R040W3器件代表的分裂柵Trench結(jié)構(gòu)使用VDS=50V和VDS=25V兩種電壓進(jìn)行改變頻率測試。兩種電壓下的測試結(jié)果變化曲線基本相似，容值較普通Trench結(jié)果較小。分裂柵結(jié)構(gòu)就是為了減小普通Trench的容值在柵極下部埋入了一塊與源極連接的一塊多晶硅來減小器面積從而降低寄生電容，因此該結(jié)構(gòu)在測試時，當(dāng)測試頻率增加到自諧振頻率附近時寄生電容迅速表達(dá)接下來在迅速轉(zhuǎn)變方向成為負(fù)電容且最大也就產(chǎn)生負(fù)電容效應(yīng)。接下來，在頻率繼續(xù)變大時負(fù)電容緩慢向零靠近。在VDS=50V相同頻率點測得容值要比VDS=25V相同頻率點下的容值都小，且自諧振頻率也小。

結(jié)論

在MOSFET器件的寄生電容測試時，測試容值隨測試電壓增加而減小，因此建議業(yè)內(nèi)都統(tǒng)一定位為VDS=25V，可以橫縱評定不同器件寄生電容的統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)。測試頻率不能所有MOSFET器件一概而論，測試頻率都定為1MHz。不同結(jié)構(gòu)的MOSFET器件在測試電容時，測試頻率要根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)確定，普通VD MOSFET與超級結(jié) MOSFET可以選擇1MHz作為測試頻率點。普通 Trench測試頻率一定要高于容值快速下降的頻率點，也可選擇1MHz作為測試頻率點。分裂柵Trench器件測試頻率一定要小于自諧振頻率點。

參考文獻(xiàn)：

[N1]GBT 4586-1994 半導(dǎo)體器件 分立器件 第8部分：場效應(yīng)晶體管

[N2] E4980A Precision LCR Meter Data Sheet 5989-4435EN