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【功率器件研究所】第一課：如何理解功率MOSFET的電特性參數(shù)
一、VDMOSFET器件基本工作原理
金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors）在過去十幾年里，引發(fā)了電源工業(yè)的革命，大大促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展。
其中又以功率垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Power Vertical Double diffused MOSFET）近年來的發(fā)展最應(yīng)人注目。
功率VDMOSFET管是三端管腳的電壓控制型開關(guān)器件，在開關(guān)電源電路中的使用和雙極型晶體管類似。其電氣符號(hào)如圖1，三端引腳分別定義為柵極（Gate），漏極（Drain）和源極（Source）。
圖1、DMOS管電氣符號(hào)
功率VDMOSFET管按照器件的柵結(jié)構(gòu)，可以分為平面（Planar），溝槽（Trench）兩大類。由于兩者電參數(shù)定義相同，所以本文僅就Planar 功率VDMOSFET管進(jìn)行討論（以下簡稱DMOS）。
大部分的DMOS管都是N溝道型的，圖2給出了N溝道DMOS的剖面圖。
圖2、N型Planar DMOS剖面圖
當(dāng)在柵極有驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，溝道（channel）發(fā)生反型，在漏端電壓的偏置下，電流從漏極通過溝道流向源極，DMOS管導(dǎo)通。當(dāng)柵極無驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，DMOS器件的溝道關(guān)斷，此時(shí)DMOS管承受輸入電壓或其值的幾倍。這就是DMOS管的基本工作原理。
從圖2中可以看出，DMOS管內(nèi)部存在著很多PN結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對電參數(shù)有著重要的影響，或者從某些角度來說，DMOS器件的電參數(shù)就是直接或間接用來反映這些PN結(jié)構(gòu)狀態(tài)的。
為了方便討論，本文將使用某公司的10A，600V器件P10NK60ZFP為例。
二、器件的額定電流和電壓
在測試之前，必須先制定各項(xiàng)電參數(shù)的測試條件，而這時(shí)，就必須要知道所測器件的額定電流以及額定電壓的大小。
額定電壓值VDSS，是在器件設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)決定好的，將會(huì)通過電參數(shù)BVDSS來表現(xiàn)。而額定電流ID則是在器件完成后制定的。
制定額定電流的方法有三種：計(jì)算法，限定法以及實(shí)測法。
1．計(jì)算法：
通過器件的熱阻來計(jì)算額定電流，是目前業(yè)界普遍采用的一種制定方法。
使用封裝完成后測得的熱阻值，可以得到器件的最大功率損耗PD：
（式1）
其中，Tjmax表示器件的最大結(jié)溫，一般情況下為150°C，Tmb是指器件的外殼溫度，在這里可以理解為初始溫度，即室溫25°C。RthJC就是熱阻值，表征當(dāng)耗散一個(gè)給定的功率時(shí)，結(jié)溫與外殼溫度之間的差值大小，所以單位是? C /W。一般由封裝廠給出。
在得到最大功率損耗之后，就可以通過器件本身的導(dǎo)通電阻值RDS(ON)，得到額定電流ID了：
（式2）
對于TO220封裝的P10NK60ZFP來說，RthJC為0.8? C /W，常溫下RDS(ON)的典型值為0.64Ω。
圖3、RDS(ON) 隨結(jié)溫變化系數(shù)圖
根據(jù)式1，在結(jié)溫150? C時(shí)的最大功率損耗PD等于156W。
從圖3中可以得到150°C時(shí)的RDS(ON)為25°C時(shí)的2.5倍，即150°C時(shí)的RDS(ON) 為1.6Ω。根據(jù)式2，就可以得到該器件的額定電流ID＝9.88A。
2．限定法：
基于熱阻計(jì)算的額定電流一般適用于較高RDS(ON) 的DMOS管。相對于小RDS(ON) 的DMOS管（大電流器件）來說，一般計(jì)算所得的額定電流會(huì)大大超過此類DMOS管封裝的電流能力。
例如，IRF1404，其計(jì)算所得的ID值為162A，但是其封裝形式的電流能力只有75A。
3．實(shí)測法：
將器件串入應(yīng)用電路中，逐步增大電路中的電流，直至器件燒毀。記錄此時(shí)的應(yīng)用電流為器件的額定電流。由于這種方法受電路影響較大，一般情況下不會(huì)使用。
當(dāng)確定了器件的額定電流以及額定電壓之后，就可以開始進(jìn)行各項(xiàng)電參數(shù)的測試了。
三、靜態(tài)電參數(shù)
靜態(tài)電參數(shù)出現(xiàn)在各類WAT，CP以及FT的數(shù)據(jù)報(bào)告中，是工程師判斷器件是否合格的主要依據(jù)。
常用的靜態(tài)電參數(shù)主要包括：IGSS,VGS,IDSS,BVDSS,RDS(ON),VSD等。
1. 柵源驅(qū)動(dòng)電流及反向電流IGSS：
IGSS是用來確認(rèn)柵極質(zhì)量的，包括柵極與源極間的隔離情況以及柵氧的質(zhì)量。
IGSS的測試方法是將漏極和源極兩端短接并接地，在柵極分別施加正向電壓和反向電壓，并分別測量柵極的電流。
IGSS的測試條件主要是根據(jù)本器件柵氧（GOX）厚度和質(zhì)量來決定的。柵氧的工藝條件決定柵氧的質(zhì)量，在相同的柵氧質(zhì)量下，不同的柵氧厚度會(huì)得到不同的柵極擊穿電壓BVGSS。通常BVGSS的值可以估算為柵氧厚度值的十分之一。例如，P10NK60ZFP的柵氧厚度約1000埃，實(shí)際測試的正向BVGSS約91V，反向BVGSS約90V，測試曲線如圖4a、4b所示。
圖4a、正向BVGSS 測試曲線圖
圖4b、反向BVGSS 測試曲線圖
在制定IGSS測試條件時(shí)，為了確保器件安全，一般只使用約三分之一的BVGSS作為測量電壓來進(jìn)行測試。目前通用的高壓器件IGSS的測量電壓約為30V，低壓器件IGSS的測量電壓約為20V。
由于DMOS器件的輸入阻抗很大，所以IGSS一般在納安（nA）級(jí)別，常用規(guī)范為[0,100nA]。
2. 開啟電壓（閥值電壓）VGS：
當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓VGS超過VGS(th)時(shí)，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道，使DMOS器件導(dǎo)通，如圖5所示，隨著柵電壓的增大，器件逐漸導(dǎo)通，相同漏電壓下的漏電流越來越大。
圖5、DMOS輸出特性曲線圖
在實(shí)際器件測試中，常將源極接地，柵極和漏極短接并掃描電壓，當(dāng)ID等于250uA時(shí)，此時(shí)的柵極電壓就稱為開啟電壓。如圖6，P10NK60ZFP的開啟電壓約為2.9V。
圖6、開啟電壓VGS測試曲線圖
開啟電壓大小受柵氧厚度，P-body注入劑量及襯底摻雜濃度的影響。一般來說，高壓器件開啟電壓的規(guī)范為[2V,4V]，低壓器件開啟電壓的規(guī)范為[1V,2V]。
此外，開啟電壓是典型的負(fù)溫度特性參數(shù)。
3. 漏源擊穿電壓BVDSS，飽和漏源電流IDSS：
BVDSS和IDSS是考量DMOS器件正常工作時(shí)所能承受的最大漏源電壓，以及此電壓下的漏電大小，是判斷器件漏源間溝道及本征二極管的PN結(jié)狀態(tài)的重要指標(biāo)，實(shí)際器件的表面漏電往往也是影響該參數(shù)的重要因素。
BVDSS定義為在柵極和源極接地的情況下，漏極電流等于250uA時(shí)的電壓值。IDSS定義為在柵極和源極接地的情況下，漏極電壓等于器件額定電壓時(shí)的電流值。
為了實(shí)現(xiàn)對PN結(jié)狀態(tài)的監(jiān)控，一般在自動(dòng)測試時(shí)會(huì)設(shè)置四個(gè)測試項(xiàng)，分別對應(yīng)如圖7中的4個(gè)測試點(diǎn)：
1) IDSS@VD=480V（80％的額定電壓，此時(shí)的IDSS很小，應(yīng)該在1uA以內(nèi)）；
2) IDSS@VD=600V（100％的額定電壓，此時(shí)的IDSS也很小，同樣小于1uA）；
3) BVDSS@ID=250uA（測試值643V）；4) BVDSS@ID=1mA（測試值644V）。
圖7、擊穿電壓BVDSS測試曲線圖
如果PN結(jié)存在漏電的話，通過這四個(gè)點(diǎn)很容易就可以監(jiān)控到。
值得注意的是，BVDSS和IDSS都正溫度系數(shù)參數(shù)，尤其是IDSS。如圖8，在125℃以內(nèi)，IDSS一般都在1uA以下，超過125℃后，呈明顯的線性增加，約每攝氏度增大12uA。
圖8、IDSS溫變特性曲線
4. 導(dǎo)通電阻RDS(ON)：
RDS(ON) 是指在特定的 VGS、結(jié)溫
及漏極電流的條件下， DMOS 導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗。
對于DMOS管來說，RDS(ON) 是極其重要的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。目前業(yè)界為了去除器件面積的影響，定義導(dǎo)通電阻RDS(ON) 與器件的有效管芯面積的乘積RSP以及導(dǎo)通電阻RDS(ON) 與器件的柵電荷總量Qg的乘積RQ為品質(zhì)因子（Figure of Merits），用以評定器件的性能。
在測試中，一般應(yīng)用VGS等于10V（標(biāo)準(zhǔn)電路，在邏輯電路時(shí)使用4.5V），ID等于60％的額定電流制定測試條件。這是由于當(dāng)VGS大于10V時(shí), RDS(ON) 的變化就已經(jīng)很小了，如圖9所示，VGS=10V和VGS=13V時(shí)的RDS(ON)曲線已經(jīng)基本重合。
圖9、不同柵壓下的RDS(ON)變化趨勢
此外，RDS(ON)也是一個(gè)正溫度系數(shù)特性的參數(shù)，其溫變特性曲線在圖3中已經(jīng)給出。
5. 正向?qū)▔航礦SD：
VSD是漏源間寄生二極管的正向?qū)妷骸?/span>
測試時(shí)，會(huì)將柵極和漏極接地，在源極加50％的額定電流（這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)視廠商而定），此時(shí)得到的電壓即為體二極管的正向?qū)妷?。一般來說，VSD的規(guī)范為[0,1.5V]，典型值在0.7V～0.9V之間。
如圖10，作為一個(gè)敏感的負(fù)溫度系數(shù)的參數(shù)，VSD在測試中常被插入在各項(xiàng)參數(shù)之間，用于監(jiān)控當(dāng)前器件的結(jié)溫狀態(tài)。
圖10、VSD的溫變特性曲線
6. 跨導(dǎo)gfs
作為動(dòng)態(tài)參數(shù)的gfs也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在各類靜態(tài)參數(shù)的測試報(bào)告中。其定義為漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是柵源電壓對漏極電流控制能力大小的量度。如果gfs等于10s的話，就表示柵電壓每增加1V，漏電流就升高10A。
gfs采用的是在一定的VDS下，取不同ID下的VGS值并積分求倒數(shù)的測量方法。
在制定測試條件時(shí)，ID為50％的額定電流（也有廠商會(huì)使用100％的額定電流），VDS要視測試設(shè)備的最小測量脈沖信號(hào)的周期而定。對于本文所使用的FET3600測試儀來說，根據(jù)不同的產(chǎn)品，VDS一般定在10V~15V。
例如，P10NK60ZFP在25℃下：VDS=10V，ID1＝5.5A，得VGS1＝4.7V；
VDS=10V，ID2＝5A，得VGS2＝4.64V；
則根據(jù)式3，可以得到gfs＝8.56s。
（式3）
此外，如圖11，跨導(dǎo)是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)特性參數(shù)，溫度越高，跨導(dǎo)越小，也就表示柵源電壓對漏極電流控制能力越弱。
圖11、轉(zhuǎn)移特性曲線
至此，如果一顆DMOS管通過了上述的7項(xiàng)電參數(shù)測試，就可以被認(rèn)定為一顆良品而流向市場。至于其具體適合于何種應(yīng)用，則將由其配套的動(dòng)態(tài)電參數(shù)所決定。
四、動(dòng)態(tài)電參數(shù)
動(dòng)態(tài)電參數(shù)出現(xiàn)在與DMOS管配套的Datasheet中，供使用者參考。動(dòng)態(tài)參數(shù)的測試主要集中在產(chǎn)品的工程開發(fā)階段，用以表現(xiàn)產(chǎn)品現(xiàn)階段的性能，為產(chǎn)品進(jìn)一步的優(yōu)化指明方向。
主要的動(dòng)態(tài)能力包括以下幾個(gè)方面：Avalanche，Capacitance，Gate Charge，Gate Resistance，Switching Time and Diode Recovery。
1．雪崩特性Avalanche：
雪崩特性是DMOS 在關(guān)斷狀態(tài)下，能承受瞬時(shí)過壓能力的指標(biāo)，一般用單脈沖最大雪崩能力EAS表示。
雪崩特性測試，又稱單脈沖非鉗位電感開關(guān)測試（Single Pulse Unclamped Inductive Switching），即UIS測試。
圖12、UIS測試電路簡圖
圖12是最基本的UIS測試電路簡圖，VG是一個(gè)10V的脈沖電壓，IAS是測試用雪崩電流，一般定義為器件的額定電流，VDD是驅(qū)動(dòng)電壓，用以調(diào)節(jié)IAS的上升速率，L是電感器，用以維持測試器件（DUT）關(guān)斷瞬間電路中的電流IAS，初始的L應(yīng)設(shè)置的較小。
當(dāng)VG處于波峰10V時(shí)，作為DUT的DMOS管導(dǎo)通，此時(shí)電路中的電流即為外加的IAS。隨著VG的下降，DUT關(guān)斷，同時(shí)IAS停止供電，此時(shí)電感器L開始放電，以維持電路中的瞬間電流不變，大小仍等于IAS。于是得到了DUT在關(guān)斷的狀態(tài)下受到IAS的沖擊的效果。如圖17所示，在IAS回復(fù)在初始狀態(tài)前，如果漏極電壓能保持不變，則在這個(gè)測試條件下，該DUT的雪崩能力是良好的。
圖13、UIS測試波形
以上便是UIS的測試原理，其中最為關(guān)鍵的參數(shù)便是雪崩電流IAS以及電感器感值L。在應(yīng)用端沒有特殊要求的情況下，測試時(shí)都應(yīng)固定IAS為DUT的額定電流，通過調(diào)節(jié)電感值來確定DUT的雪崩能量值。
根據(jù)電壓，電感和單位時(shí)間電流的關(guān)系公式：
（式4）
可以得到DUT導(dǎo)通時(shí)的電流上升時(shí)間：
（式5）
以及DUT關(guān)斷時(shí)的電流下降時(shí)間，也就是雪崩時(shí)間：
（式6）
其中，VDSX(sus) 是雪崩發(fā)生時(shí)漏極的最大電壓，這個(gè)電壓值約是1.3倍的DUT的BVDSS。
于是，在確定了IAS和L的值后，就可以計(jì)算得到DUT的雪崩能量：
（式7）
將式6代入式7，就得到：
（式8）
式8就是最基本的雪崩能量的計(jì)算公式。
隨著器件技術(shù)的發(fā)展，基本測試電路在小電壓器件的測試上出現(xiàn)了瓶頸，所以出現(xiàn)了第二代改良的UIS測試電路，如圖14，這也是目前被使用最廣泛的UIS測試電路。
圖14、第二代UIS測試電路簡圖
圖15、第二代UIS測試波形
兩者的最大差異是，第二代測試電路中并入了一個(gè)二極管，在VG掉落的瞬間，開關(guān)斷開，此時(shí)的測試回路中就排除了VDD的影響，即VDD=0V。
因此，此時(shí)的雪崩能量計(jì)算公式可以由式8簡化為：
（式9）
在制定測試條件時(shí)，要注意VDD的大小，根據(jù)式5可知，過小的VDD會(huì)導(dǎo)致電流上升時(shí)間變長，從而造成器件結(jié)溫的上升。圖16中上拱的電流波形就是由于VDD過小造成的。而過大的VDD則會(huì)使電流上升速率過快，當(dāng)di/dt超過一定極限的時(shí)候，會(huì)引發(fā)DUT的誤導(dǎo)通，導(dǎo)致器件燒毀。
圖16、VDD過小的UIS波形
理論上，正常的雪崩擊穿失效都應(yīng)該是一個(gè)熱過程導(dǎo)致的失效，其典型的失效曲線應(yīng)如圖17所示，此時(shí)的電感是9.2mH，外加的IAS為10A，但是電流曲線的峰值卻為12.48A (這與器件的輸出電容以及瞬態(tài)結(jié)溫下的IDSS有關(guān))，由此引起的大功率損耗引發(fā)的結(jié)溫上升（理論上瞬時(shí)結(jié)溫可能達(dá)到400℃以上），導(dǎo)致器件中的某一個(gè)薄弱結(jié)構(gòu)首先被熱擊穿而出現(xiàn)漏電，從而使得雪崩電流無法回復(fù)到初始狀態(tài)，器件失效。
圖17、典型的UIS失效波形
影響器件雪崩能力的因素很多，除了上面所說的IAS，L和VDD等測試因素外，還有器件的外延厚度及電阻率，P-body的橫向電阻RB以及封裝形式等器件自身的因素。
另外，值得注意的是，雖然第二代UIS測試電路能測試更多種類的器件，但是器件的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境更接近于第一代的測試電路。
2．電容特性Capacitance：
DMOS管的柵極附近和耗盡層中存在著大量寄生電容，這些電容的充電和放電特性，決定了DMOS管在開關(guān)過程中的開關(guān)特性延遲。
在實(shí)際應(yīng)用中， 使用輸入電容Ciss，輸出電容Coss和反饋電容（也稱作米勒電容）Crss這三個(gè)參數(shù)來作為衡量功率DMOS器件頻率特性的參數(shù)，它們并不是一個(gè)定值，而是隨著其外部施加給器件本身的電壓VDS而變化的，如圖18。
圖18、動(dòng)態(tài)電容隨漏電壓變化曲線
從圖18的曲線中可以觀察到，當(dāng)電壓VDS大于15V之后，三個(gè)特性電容曲線基本保持不變。所以，特性電容的測試條件一般都會(huì)定義為：在1MHz的頻率下，當(dāng)柵電壓為0V，漏源電壓為25V時(shí)所測得的電容值，這里的Ciss，Coss和Crss分別是1993pF，151pF和12pF。
三個(gè)動(dòng)態(tài)電容是由源漏柵三極間的寄生電容組成的，如圖19：
圖19、動(dòng)態(tài)電容模型分布圖
Ciss = CGD+CGS（CDS短路）
（式10）
Coss = CDS+CGD
（式11）
Crss = CGD
（式12）
CGS ，CGD ，CDS無法直接測量，只能從動(dòng)態(tài)電容的測試結(jié)果中推算出來，它們受柵氧厚度，溝道長度及外延厚度的影響，同時(shí)也決定了開關(guān)及柵電荷特性。
3．柵電荷特性Gate Charge：
由于DMOS管是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，其驅(qū)動(dòng)的過程就是柵極電壓的建立過程.。柵極總充電電量QG就是用來定義為達(dá)到一個(gè)特定的柵極電壓，柵極所必須充的電量。
圖20、柵電荷測試電路簡圖
圖21、柵電荷測試波形圖
如圖21，柵電壓的建立過程可以分為三部分：
t0~t1：對CGS充電的過程。
在VG沒有到達(dá)開啟電壓VTH之前，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，漏電壓VD全部由器件承受，沒有漏電流ID產(chǎn)生。
在此階段，由于器件沒有導(dǎo)通，所以根據(jù)式14，此時(shí)的CGD很小，過程只表現(xiàn)為對CGS的充電。
（式13）
t1~t2：繼續(xù)對CGS充電的過程。
當(dāng)VG超過VTH后，器件導(dǎo)通，ID開始上升。根據(jù)式13，此時(shí)的CGD開始增大，但相比與CGS而言仍很小，所以此過程還是表現(xiàn)為對CGS的充電。
t2~t3：對CGD充電的過程。
當(dāng)t2時(shí)刻，ID上升到最大值后保持恒定，而VD開始下降。
根據(jù)式13可知，此時(shí)的CGD越來越大，由于CGS的充電已經(jīng)完成，所以整個(gè)過程都表現(xiàn)為對CGD的充電，并使得VG曲線出現(xiàn)了一個(gè)短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這一狀態(tài)被稱作米勒平臺(tái)。
t3~t4：對CGS充電的過程。
當(dāng)t3時(shí)刻，VD下降到最小值后，與ID一起保持恒定，CGD不再變化。VG再度開始上升，直至達(dá)到所需的驅(qū)動(dòng)電壓，這個(gè)電壓一般定義為10V。
從t0~t4的整個(gè)過程就是柵驅(qū)動(dòng)電壓的建立過程，也是對Ciss的充電過程，一般是在50％的額定電壓，100％的額定電流的條件下得到的，這個(gè)過程中所需的總充電電量就是QG。
圖21中的曲線是在VD=300V，ID=10A的條件下得到的，QG值約38.5nC，CGS和CGD分別為11.6nC和12nC。
4．柵電阻特性Gate Resistance：
這里的柵電阻RG,I是指封裝完成的器件的內(nèi)部柵電阻，包括POLY層，柵金屬層及封裝引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電阻。
相對于高壓器件而言，RG,I在低壓器件的應(yīng)用中更為重要，一般規(guī)范為[1Ω,5Ω]，且Trench DMOS的要小于Planar DMOS的。
5．開關(guān)時(shí)間特性Switching Time：
由于DMOS管沒有少子存儲(chǔ)時(shí)間，所以擁有很好的開關(guān)特性。
如圖23，開關(guān)特性包括四個(gè)參數(shù)：
圖22、開關(guān)特性測試電路簡圖
圖23、開關(guān)特性測試波形圖
導(dǎo)通延遲時(shí)間td(on) ：
從柵電壓VG上升到其施加總值的10％開始，到漏電壓VD下降到其幅值的 90%為止的時(shí)間。
該參數(shù)表征的是在柵開啟時(shí)，對Ciss的充電時(shí)間，可對應(yīng)于QG曲線的t1~t2時(shí)段。
上升時(shí)間tr ：
VD從到其幅值的90%為下降到其幅值的10%的時(shí)間。
該參數(shù)表征的是在柵開啟后在線性區(qū)域運(yùn)作的時(shí)間，可對應(yīng)于QG曲線的米勒平臺(tái)時(shí)段。
關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) ：
從VG下降到其施加總值的90％開始，到VD上升到其幅值的10%為止的時(shí)間。
該參數(shù)是柵開啟電壓從飽和區(qū)域（一般為10V）下降到線性區(qū)域（米勒平臺(tái)）時(shí)所需的時(shí)間。
下降時(shí)間tf ：
VD從到其幅值的10%為上升到其幅值的90%的時(shí)間。
該參數(shù)是從柵開啟的線性區(qū)域下降到剛開啟狀態(tài)所需的時(shí)間。
在通常情況下，測試開關(guān)特性會(huì)使用50％的額定電壓，100％的額定電流以及VG=10V，RG=10Ω進(jìn)行測試，其中額定電流可以通過調(diào)節(jié)測試電路中可變電阻RD的值來實(shí)現(xiàn)。
如圖23，在VG=10V，VD=300V及ID=10A的條件下，測得的td(on)，tr，td(off)及tf分別為24.5ns，21.3ns，53.3ns及36.3ns。
值得注意的是，由于開關(guān)特性參數(shù)是在純電阻負(fù)載電路中測得的，但一般在真實(shí)的應(yīng)用中，沒有一個(gè)電路是純電阻負(fù)載電路。因此，開關(guān)特性參數(shù)只能用于不同器件間的對比，其值不能用于實(shí)際的應(yīng)用電路中。
6．體二極管恢復(fù)特性Diode Recovery：
作為DMOS管中最主要的寄生結(jié)構(gòu)之一，源極與漏極間的體二極管的恢復(fù)特性最為人所關(guān)注。
當(dāng)二極管關(guān)斷的瞬間，電流是不會(huì)直接回復(fù)到零位的，而是產(chǎn)生一個(gè)反向電流IRR，然后逐漸恢復(fù)到零位。
在測試時(shí)，為了得到電流瞬間反向的效果，如圖24的測試電路中，使用了電感L的特性來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)器件（Driver）必須與被測器件（DUT）的規(guī)格一致，用以控制電感的極性及測試電流IS的大小。而外接?xùn)烹娮杓皷膨?qū)動(dòng)電壓則用以調(diào)節(jié)電壓及電流的上升及下降速率。
在體二極管的恢復(fù)特性中，最常用的有反向恢復(fù)特性和最大電壓瞬變特性，分別用以定義體二極管的關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)。
圖24、體二極管恢復(fù)特性測試電路圖
反向恢復(fù)特性Reverse Recovery：
反向恢復(fù)特性一般需要在100％的額定電流，且電流下降速率在100A/us的條件下測試。
圖25、體二極管反向恢復(fù)特性測試波形圖
在得到如圖25的測試波形后，再量測出最大反向恢復(fù)電流IRRM，反向恢復(fù)時(shí)間tRR，以及反向恢復(fù)電荷QRR。其中，QRR即反向恢復(fù)波形與零位坐標(biāo)圍成圖形的面積，可以通過示波器直接量取讀數(shù)，或使用公式14近似計(jì)算得到。
（式14）
為了得到更精確的結(jié)果，本文采用的是直接讀取面積的方法。
圖25曲線是在L=100uH，VDD=60V，IS＝10A的條件下測得的，此時(shí)調(diào)節(jié)di/dt為100A/us，得到IRRM，tRR和QRR分別為9A，800ns和15uC。
另外，有些應(yīng)用端會(huì)對反向恢復(fù)的柔軟因子（Softness）有所要求，即tb/ta的值。Softness對器件開關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的電氣噪聲和電壓尖脈沖有相當(dāng)?shù)挠绊?，過高時(shí)會(huì)引發(fā)電磁干擾（EMI）。這個(gè)參數(shù)在這里約為3.57。
最大電壓瞬變特性dv/dt：
當(dāng)器件的電壓上升速率超過一定限度時(shí)，積累的電壓會(huì)產(chǎn)生積累電流，當(dāng)這個(gè)電流使得P-body的橫向電阻RB上的電壓超過寄生三極管的E、B端導(dǎo)通電壓時(shí)，寄生三極管導(dǎo)通，漏端電流直接繞過溝道流向源極，柵極控制能力，這一現(xiàn)象被稱為誤導(dǎo)通。如果此時(shí)沒有進(jìn)行電流鉗制的話，器件很容易進(jìn)入雪崩狀態(tài)而燒毀。
圖26、體二極管最大電壓瞬變特性測試波形圖
為了防止誤導(dǎo)通，DMOS管需要具有較強(qiáng)的dv/dt能力。
dv/dt的測試條件與反向恢復(fù)的測試條件有所不同，需要在80％的額定電壓，100％的額定電流下測試。一般的DMOS管dv/dt能力應(yīng)該在3.5V/ns以上。
圖26的曲線就是在L=1mH，VDD=480V，IS＝10A，di/dt＝700A/us的條件下測得的，此時(shí)dv/dt＝5.13V/us。
結(jié)論
作為最直接反映功率DMOS管性能的電參數(shù)，包含一系列的直流和交流參數(shù)。從測試條件來看，它們各不相同，但是從測試定義來看，它們之間都有著內(nèi)在的聯(lián)系。
例如，RDS(ON)和BVDSS都與外延的厚度及濃度有關(guān)，且互相制約；EAS與dv/dt受P-body的橫向電阻RB的影響；Ciss，QG及td(on)，tr其實(shí)是從不同角度對同一過程進(jìn)行定義；tRR，QRR與dv/dt則是對同一結(jié)構(gòu)的不同階段的能力分別進(jìn)行定義；而幾乎所有的電參數(shù)，都與結(jié)溫有密不可分的關(guān)系，所以在測試中，一定要確保器件始終處于初始結(jié)溫狀態(tài)。
當(dāng)然基于實(shí)際電路應(yīng)用的需要，功率DMOS器件的參數(shù)特性往往也需要有所側(cè)重，以更好的發(fā)揮其電路的運(yùn)作效率和可靠性。
參考文獻(xiàn)
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Abstract
Compared to other switchable power semicoductors, Power VDMOSFETs (Power Vertical Double diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) have a number of application advantages, such as active turn-off even in case of short-circuit, operation without snubbers, simple control unit, and short switching times. Therefore, they are used in DC/DC transformer, UPS, SPSM and so on. In design, before choosing which VCDMOSFETs can be used, engineers must study the devices’ electrical parameter first. This paper will explain all defines of DMOSFETs’ AC and DC electrical parameter and how to test them. Further, how to use these testing data to know the device capability is included.