T∕CASAS 037-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）栅极电荷测试方法

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• ​​1. 范围​​
• ​​2. 规范性引用文件​​
• ​​3. 术语和定义​​
• ​​4. 测试原理​​
• ​​5. 测试条件​​
• ​​6. 测试流程​​
• ​​7. 测试数据处理​​
• ​​8. 测试报告​​
• ​​9. 附录和参考文献​​

每个部分我会提取关键点，并在相关位置嵌入图片标签（如测试原理图、波形曲线等），确保图片紧邻其原始描述。

​​1. 范围​​

本文件规定了SiC MOSFET（增强型N沟道垂直结构）的栅极电荷测试方法，适用于器件特性表征和可靠性测试。具体适用范围包括：

• ​​测试对象​​：增强型N沟道垂直SiC MOSFET分立器件（晶圆级和封装级产品）以及含此类器件的功率模块。
• ​​测试目标​​：提取关键栅极电荷参数，如栅源电荷（Q_{\text{GS}}）、栅漏电荷（Q_{\text{GD}}）、阈值栅源电荷（Q_{\text{GS,th}}）和栅极总电荷（Q_{\text{G,TOT}}）。这些参数对评估器件开关损耗、驱动电路设计和系统性能至关重要。
• ​​核心挑战​​：针对SiC MOSFET特有的问题（如无典型米勒平台、DIBL效应导致的米勒斜坡、栅氧界面态引起的阈值漂移和曲线回滞），文档提供了专门的数据处理方法。

​​2. 规范性引用文件​​

文档引用以下标准作为基础：

• ​​T/CASAS002-2021​​：宽禁带半导体术语，提供基本定义和术语。
• ​​T/CASAS006-2020​​：碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范，补充了SiC MOSFET的通用测试要求。
  这些引用确保测试方法与其他标准兼容，测试中需遵循其条款。

​​3. 术语和定义​​

文档定义了关键术语（基于T/CASAS002-2021和新增内容），这些是理解测试方法的基础：

• ​​漏致势垒降低效应（DIBL）​​：短沟道器件中，漏源电压V_{\text{DS}}增加导致阈值电压降低的效应，影响米勒平台的稳定性。
• ​​米勒平台与米勒斜坡​​：米勒平台是栅漏电容充放电引起的栅压平台；而米勒斜坡是DIBL效应导致的平台倾斜现象（SiC MOSFET特有）。
• ​​栅极电荷参数​​：
  • ​​阈值栅源电荷（Q_{\text{GS,th(ON)}}/Q_{\text{GS,th(OFF)}}​​：开启/关断阶段，栅压从标称关断电压V_{\text{OFF}}到阈值电压V_{\text{th}}所需的电荷量。
  • ​​栅源电荷（Q_{\text{GS(ON)}}/Q_{\text{GS(OFF)}}​​：开启/关断阶段，栅压从V_{\text{OFF}}到米勒平台开始处（或从平台末端到V_{\text{OFF}}）的电荷量。
  • ​​栅漏电荷（Q_{\text{GD(ON)}}/Q_{\text{GD(OFF)}}​​：米勒平台阶段（漏源电压变化阶段）积累或释放的电荷量。
  • ​​栅极总电荷（Q_{\text{G,TOT(ON)}}/Q_{\text{G,TOT(OFF)}}​​：开启/关断全程，栅压从V_{\text{OFF}}到标称导通电压V_{\text{ON}}（或反之）的总电荷量。
• ​​其他关键术语​​：标称关断栅极电压V_{\text{OFF}}、标称导通栅极电压V_{\text{ON}}、母线电压V_{\text{DD}}、漏源电流I_{\text{DS}}、续流二极管（FWD）和反向恢复电荷Q_{\text{RR}}。

​​4. 测试原理​​

测试原理分为基本原理和两种具体电路方法（感性负载和阻性负载），以模拟实际工况。

栅极电荷测试通过驱动电路对栅极电容充放电，监测栅极电压V_{\text{G}}和电流I_{\text{G}}变化。核心原理图如图1所示，电路包括被测器件（DUT）、栅极驱动（电压源或电流源）、负载（阻性或感性）和母线电源。测试中，栅极电压变化分为三个阶段（见图2）：

• ​​开启阶段​​：V_{\text{G}}从V_{\text{OFF}}上升到V_{\text{ON}}，对应Q_{\text{GS}}、Q_{\text{GD}}和Q_{\text{G,TOT}}提取。
• ​​关断阶段​​：逆过程，但受回滞现象影响（开启和关断曲线不重合）。
  通过积分栅极电流获取电荷量：
  Q_G = \int_0^t I_G(t) \, dt
  结果转换为栅极电荷曲线（见图3），显示米勒斜坡和回滞。

推荐方法，模拟实际开关条件（如新能源汽车应用）。电路如图4所示，被测器件为下管，负载由电感（L）和续流二极管（FWD）并联组成（推荐SiC肖特基二极管以减少Q_{\text{RR}}影响）。测试使用双脉冲波形（见图5）：

• ​​第一个脉冲下降阶段​​：测量关断状态栅极电荷Q_{\text{G(OFF)}}。
• ​​第二个脉冲上升阶段​​：测量开启状态栅极电荷Q_{\text{G(ON)}}。
  电源通过电压源对母线电容（C）充电后放电，确保瞬时功率需求。

替代方法，使用电阻负载。电路如图6所示，测试单脉冲波形（见图7）：

• ​​脉冲上升阶段​​：测量开启状态电荷Q_{\text{G(ON)}}。
• ​​脉冲下降阶段​​：测量关断状态电荷Q_{\text{G(OFF)}}。
  为覆盖高压和低压条件，采用图8的高压小电流和低压大电流测试拼接（图8a和8b），通过曲线结合获得完整电荷曲线。

​​5. 测试条件​​

测试必须在严格控制的环境下进行，以确保结果可靠性：

• ​​温度​​：25℃ ± 2℃（室温条件）。
• ​​湿度​​：相对湿度不超过65%。
• ​​设备要求​​：使用校准的探针台或测试夹具，适配器件封装形式（分立器件或模块）。

​​6. 测试流程​​

测试流程分为感性负载（双脉冲）和阻性负载（单脉冲）两种方法。

步骤如下：

1. ​​准备​​：选择合适夹具，按图4连接电路。
2. ​​参数设置​​：
   • 负载电感L。
   • 标称关断电压V_{\text{OFF}}和导通电压V_{\text{ON}}。
   • 母线电压V_{\text{DD}}。
   • 目标漏源电流I_{\text{DS}}。
3. ​​测试执行​​：
   • 电压源对母线电容充电至V_{\text{DD}}。
   • 栅极驱动输出双脉冲：第一脉冲宽度确保I_{\text{DS}}达到设定值，第二脉冲用于开启测试。
   • 记录第一脉冲下降阶段（关断）和第二脉冲上升阶段（开启）的栅极电压和电流波形。
4. ​​输出​​：提取并保存相关波形数据。

步骤如下：

1. ​​高压小电流测试​​：
   • 按图8a连接电路，设置负载电阻R、V_{\text{OFF}}、V_{\text{ON}}和V_{\text{DD}}。
   • 输出单脉冲，记录上升和下降阶段波形。
2. ​​低压大电流测试​​：
   • 按图8b连接电路，设置R、V_{\text{OFF}}、V_{\text{ON}}和I_{\text{DS}}。
   • 输出单脉冲，记录相同波形。
3. ​​数据整合​​：将高压和低压曲线拼接（见7.2节数据处理）。

​​7. 测试数据处理​​

数据处理针对测试波形提取具体电荷参数，区分开启（ON）和关断（OFF）阶段，以处理回滞现象。

基于图9的栅极电荷曲线（横轴为电荷Q_G，纵轴为V_G）：

• ​​开启阶段参数提取​​：
  • Q_{\text{GS,th(ON)}}：从V_{\text{OFF}}到V_{\text{th}}的电荷量（曲线初始段）。
  • Q_{\text{GS(ON)}}：从V_{\text{OFF}}到米勒斜坡开始处的电荷量。
  • Q_{\text{GD(ON)}}：处理米勒斜坡（DIBL效应导致倾斜）—将曲线反向延伸（图9段c），连接辅助线（段d），映射电荷区间。
  • Q_{\text{G,TOT(ON)}}：从V_{\text{OFF}}到V_{\text{ON}}的总电荷量。
• ​​关断阶段参数提取​​：类似方法，但独立处理（Q_{\text{GS,th(OFF)}}、Q_{\text{GS(OFF)}}、Q_{\text{GD(OFF)}}、Q_{\text{G,TOT(OFF)}}）。
  ​​记录数据​​：包括V_{\text{th}}、V_{\text{OFF}}、V_{\text{ON}}、I_{\text{DS}}、V_{\text{DD}}、环境温度T，以及所有电荷参数（开启和关断分开）。

基于图10，拼接高压小电流（曲线a）和低压大电流（曲线b）曲线：

1. ​​曲线拼接​​：
   • 以曲线a首段起点绘制曲线c首段，延伸至曲线b的米勒斜坡处。
   • 以曲线b第二段斜率绘制曲线c第二段，延伸至曲线a第三段交点。
   • 以交点绘制曲线c第三段（斜率同曲线b）。
2. ​​参数提取​​：对拼接曲线（图10c）使用7.1节方法提取电荷参数。

​​8. 测试报告​​

测试报告必须完整记录过程和结果，确保可追溯性：

• ​​必需内容​​：
  • 测试对象（如器件型号和封装）。
  • 使用的标准（本文件及引用标准）。
  • 测试方法（感性或阻性负载）。
  • 测试条件（温度、湿度、参数设置如V_{\text{DD}}、I_{\text{DS}}、V_{\text{OFF}}、V_{\text{ON}}）。
  • 测试结果（所有栅极电荷参数，区分ON/OFF）。
  • 测试日期。
• ​​格式参考​​：使用附录A的测试记录表（表A.1），包含样品编号、开关阶段参数和测试条件。

​​9. 附录和参考文献​​

• ​​附录A​​：提供栅极电荷测试记录表示例（表A.1），用于标准化数据记录，包括样品信息、测试条件和电荷参数。
• ​​参考文献​​：引用相关标准，如：
  • GB/T 4586：半导体器件分立器件第8部分（场效应晶体管）。
  • IEC 60747-8:2010：半导体器件测试标准。
  • JEDEC JEP192 和 JESD24-2：栅极电荷测试指南。
  • MIL-STD-750E：国防部半导体测试方法。

这些附录和参考文献确保测试方法与国际标准兼容。

此总结基于文档全文，覆盖所有关键部分，并严格嵌入相关图片以直观展示测试原理和数据处理。文档的宗旨是提供标准化、可重复的测试方法，解决SiC MOSFET特有挑战，适用于工业界和研发场景。