CN103837731B - 用于测量晶体管的特性的电压检测电路和方法 - Google Patents

用于测量晶体管的特性的电压检测电路和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于测量晶体管的特性的电压检测电路和方法。电压检测电路包括：晶体管；耦合到晶体管的漏极端子的开关；该漏极端子耦合到开关的一端；第一驱动器，其与驱动晶体管的栅极端子的第二驱动器同步地控制开关；以及多个电阻器，其串联耦合并耦合到开关的另一端。

Description

用于测量晶体管的特性的电压检测电路和方法
技术领域
本文所讨论的实施例涉及一种用于功率晶体管的电压检测电路和用于测量功率晶体管的特性的方法。
背景技术
近年来，随着进行功率晶体管的开发，已在努力提高高压半导体开关元件的性能，高压半导体开关元件诸如为场效应晶体管（FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、使用氮化镓（GaN）层作为电子渡越层的高电子迁移率晶体管（HEMT）等。
在用于开关电源的功率晶体管中，具体地，降低损耗是一项重要挑战，并且导通电阻用作功率晶体管的工作性能指标。
然而，许多近来的功率晶体管执行高速操作，并且仅使用利用DC特性计算的导通电阻作为性能指标是不足够的。
因此，作为执行功率晶体管的开关操作时使用的有效性能指标，测量动态导通电阻Ron。
参照图1，为了计算动态导通电阻Ron，脉冲电压被输入到功率晶体管的栅极端子，并且基于此时在漏极中流动的接通电流Ids_on和接通电压Vds_on，使用动态导通电阻Ron=Vds_on/Ids_on，执行计算。
图2A-2D是示出了当执行功率晶体管的栅极的切换时根据漏极电压和漏极电流来计算开关损耗和动态导通电阻Ron而获得的波形的图。
一般而言，在许多情况下，在功率晶体管的动态导通电阻Ron的大小取决于在功率晶体管处于关态时施加的电压（断开电压Vds_off）。此原因是晶体管感受到的温度由于通过开关损耗以及由Vds_on和Ids_on引起的导通损耗生成的焦耳热而改变，开关损耗是在执行从关态切换到开态或从开态切换到关态时由漏-源电压Vds的波形和漏-源电流Ids的波形彼此交叠而引起的。
还已知在使用化学半导体的功率晶体管中，由于半导体表面和界面处存在的电子和空穴被捕获（trap）的电子和空穴捕获水平，电流和电压波形取决于Vds_off。
下面是参考文献：
[文献1]日本特开专利公布第2008-309702号。
发明内容
根据本发明的一方面，电压检测电路包括：晶体管；耦合到晶体管的漏极端子的开关；该漏极端子耦合到开关的一端；第一驱动器，其与驱动晶体管的栅极端子的第二驱动器同步地控制开关；以及多个电阻器，其串联耦合并耦合到开关的另一端。
本发明的目的和优点将通过权利要求书中具体指出的要素和组合来实现和获得。
应理解，前面一般描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
图1是示出了动态导通电阻的图表；
图2A-2D是示出了功率晶体管的动态波形的图表；
图3是示出了用于测量功率晶体管的动态导通电阻的测量电路和测量装置的配置的图；
图4是其中包含衰减器的探针的等效电路图；
图5A-5F是示出了功率晶体管的特性的仿真结果的图表；
图6是示出了本公开的原理的图；
图7是根据第一实施例的电压检测电路的电路图；
图8是根据第二实施例的电压检测电路的电路图；
图9是根据第三实施例的电压检测电路的电路图；
图10A-10F是示出了使用第二实施例的电压检测电路测量功率晶体管的特性的情况的仿真结果的图表；以及
图11是示出了引入根据实施例的测量方法的制造半导体晶体管或集成电路的制造处理步骤的图表。
具体实施方式
图3是示出了用于测量功率晶体管的动态导通电阻Ron的测量电路和测量装置的配置的图。
当测量动态导通电阻Ron时，执行目标测量晶体管的栅极的切换，从而测量电压波形，其中在断开时间Toff期间施加在漏极端子与源极端子之间的数百伏电压（断开电压（off-voltage））以及在接通时间Ton期间的数毫伏电压（接通电压（on-voltage））以100kHz至几MHz的频率（=1/(Ton+Toff)）在时间上重复。
通常，使用示波器和包含衰减器的探针测量目标测量晶体管的漏-源电压，同时用电流探针测量漏-源电流。
示波器的输入端子的检测器增益（范围）的设置通常由输入的电压中的较高电压（断开电压）来确定。
当要测量的电压超过示波器的输入端子的容许电压时，使用下述方法：使用其中包含衰减器的探针进一步减小输入到示波器的输入端子的电压。
图4是其中包含衰减器的探针的等效电路图。
已知，当由示波器测量电压波形时，基于衰减器的衰减电阻Rp和电容Cp而获得的时间常数（τp=Cp×Rp）与基于示波器的输入端子的电阻Rsc和电容Csc而获得的时间常数（τsc=Csc×Rsc）完全匹配，从而在示波器上观测的波形与在探针末端处检测到的电压的波形理论上一样。
然而，实际上，由于探针和示波器的输入端子中存在的寄生电容、电阻、电感等，时间常数τp与时间常数τsc不完全匹配。具体地，晶体管的导通操作时间越短，时间常数的匹配程度会变得越低。此外，在长时间测量中，衰减电阻Rp、电容Cp、电阻Rsc和电容Csc的值因测量环境的温度变化而改变，从而产生经调整的时间常数τp与经调整的时间常数τsc之间的差，因此未执行正确测量。
然后，时间常数之间的差导致在示波器上观测的电压响应波形失真。也就是，出现下述问题：由于衰减器和示波器的输入范围设置引起的容许误差裕度而未正确测量低电压（接通电压）。
图5A-5F是示出了包含衰减器的探针借助计算器以图3所示的方式测量功率晶体管的特性的情况的仿真结果的图表。
这些波形是“漏极电压”、“漏极电流”、“栅极电压”和“将源-漏电压除以漏极电流而获得的电阻值”。这些波形是在将来自脉冲信号源的脉冲输入目标测量晶体管的栅极的情况下通过仿真而获得的。
图5A示出了表示通过将漏-源电压Vds除以漏极电流Ids而获得的值并代表开态下的导通电阻的波形。图5B示出了漏极电压的脉冲响应波形，图5C示出了漏极电流的响应波形，并且图5D示出了来自栅极驱动器的输出的波形。
图5E示出了图5A的波形的放大部分，并且图5F示出了图5B的波形的放大部分。图5F中示出的电压V(漏)和V(探针)如下。
V(漏)：图3的测量电路中的目标测量晶体管的漏极端子的电势。V(探针)：图4的探针等效电路的探针端子中的电势。
如图5A-5F所示，当功率晶体管从断开被切换到接通时，发生漏-源电压的波形的负脉冲（undershoot）。于是，接通电压的值变为0V或更低，并且没有正确地确定导通电阻。
甚至当输入到示波器的输入端子的电压在容许范围内时，如果电压值大大超过显示范围，则安装在示波器的输入级中的放大器导致饱和和失真，显示在屏幕上的数值包括大误差裕度，并且因此不可以正确地执行评估。
存在下述技术：其中在施加断开电压时强制性将电压钳位的电路被设置，以使得保持到示波器的输入电压小于示波器的输入端子的容许电压。然而，在本技术中，正确的断开电压未被施加到功率晶体管并且仅示波器的输入容许电压被施加，或针对输入的最小电压不适当地设置示波器的输入范围，因此不正确地评估动态导通电阻与断开电压的依赖关系。
图6是示出了本公开的原理的图。目标测量晶体管3的漏极端子16连接至负载2的一个端子，并且其源极端子18接地。负载2的另一端子连接到电源1。目标测量晶体管3的栅极端子17连接到振荡减少栅极电阻器R4的一个端子，并且振荡减少栅极电阻器R4的另一端子连接到驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5的输出端子。然后，控制栅极驱动器5的脉冲生成器6的输出端子连接到驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5的输入端子。
目标测量晶体管3的漏极端子16和负载2的连接节点被连接到开关8的一个端子，开关8的另一端子被连接到分压电阻器R2的一个端子。分压电阻器R2的另一端子被连接到分压电阻器R1的一个端子和示波器的输入，并且分压电阻器R1的另一端子接地。
开关8的断开和闭合由栅极驱动器10来控制，控制栅极驱动器10的脉冲生成器11的输出端子连接到栅极驱动器10的输入端子。脉冲生成器11生成与由脉冲生成器6生成的脉冲同步的脉冲，并将该同步脉冲提供给断开和闭合开关8的栅极驱动器10的输入端子，其中脉冲生成器6控制驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5。也就是，开关8与目标测量晶体管3同步地断开和闭合。通过用分压电阻器R1和R2对目标测量晶体管3的漏极电压进行分压而获得的漏极电压×R1(R1+R2)的电压仅在开关8接通的时段内被输入到示波器。
同时，流经目标测量晶体管3的源极侧的漏极电流Ids由电流探针30测量，因此可以根据漏极电流（Drain current）Ids和漏极电压获得动态导通电阻Ron。
当仅目标测量晶体管3的漏极电压的接通电压时间（Ton）由示波器测量时，示波器的输入范围的敏感度提高，此外，未使用其中包含衰减器的探针。因此，以高准确度测量接通电压。此外，在更优选的断开电压施加到功率晶体管之后执行测量，因此正确地评估动态导通电阻与断开电压的依赖关系。
图7是根据作为本公开的原理的具体示例的第一实施例的电压检测电路的电路图。作为目标测量晶体管3，例如，可以使用用于功率施加的功率晶体管，即场效应晶体管、MOS晶体管、双极晶体管、GaN-HEMT、前述晶体管的复合型晶体管、或具有与这样的晶体管的功能相同的功能的集成电路。目标测量晶体管3的漏极端子16连接到连接线路24并且源极端子18接地，其中负载2连接到连接线路24。栅极端子17连接到栅极电阻器R4的一个端子，栅极电阻器R4的另一端子连接到驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5的输出端子。
作为驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5，例如，可以使用具有互补型晶体管的配置或在输出级具有单个单端晶体管的配置的晶体管，并且晶体管可以是场效应晶体管、MOS晶体管、双极晶体管、前述晶体管的复合型晶体管、或具有与这样的晶体管的功能相同的功能的集成电路。
控制栅极驱动器5的脉冲生成器6的输出端子连接到驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5的输入端子。如果脉冲生成器6的输出电压具有接通和断开目标测量晶体管3的电压值，则可以采用不包括栅极驱动器5的配置。此外，使栅极驱动器5的输出稳定的电阻器可以被设置在脉冲生成器6与栅极驱动器5之间。
作为开关晶体管8A，例如使用这样的晶体管，其具有等于或高于小功率晶体管或目标测量晶体管3的击穿电压的击穿电压并且具有显著小于分压电阻器R1和分压电阻器R2的总电阻的导通电阻，该晶体管也可以是场效应晶体管、双极晶体管等。开关晶体管8A的漏极端子19和目标测量晶体管3的漏极端子16通过连接线路22被线路连接。开关晶体管8A的源极端子21连接到分压电阻器R2的一个端子。分压电阻器R2的另一端子连接到分压电阻器R1的一个端子，此外，分压电阻器R1的另一端子接地。
栅极电阻器R9的一个端子连接到开关晶体管8A的栅极端子20，并且栅极电阻器R9的另一端子连接到驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A的输出端子。驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A包括控制端子，并且经由连接线路23连接到开关晶体管8A的源极端子21。
在这种情况下，作为驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A，例如可以使用下述驱动器：其具有将连接到开关晶体管8A的栅极端子20的输出端子的电势水平转变了对应于开关晶体管8A的源极端子21的电势的量的功能，并且具有将用于接通开关晶体管8A至源极端子21的电势的电势差加到栅极端子20的功能。通过这种连接，甚至当开关晶体管8A的源极端子21的电势不为0时，栅极驱动器10A的输出脉冲也被正确施加在开关晶体管8A的栅极端子20与源极端子21之间。
驱动栅极驱动器10A的脉冲生成器11的输出端子连接到驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A的输入端子。此外，脉冲生成器11经由同步布线7连接到控制栅极驱动器5（其驱动目标测量晶体管3）的脉冲生成器6，并且脉冲生成器11和脉冲生成器6同时生成脉冲。
示波器的输入端子连接到分压电阻器R2与分压电阻器R1之间的分压端子25。在这种情况下，如果分压电阻器R1和分压电阻器R2的值被设置，例如使得分压电阻器R1的值=50Ω并且分压电阻器R2的值=450Ω，则分压端子25的电势是目标测量晶体管3的漏极电压的1/10，因此，示波器的输入端子的电压测量范围可以增加十倍。
在本实施例中，仅在目标测量晶体管3接通的时段期间由示波器测量目标测量晶体管3的漏极电压，因此可以提高示波器的输入范围的敏感度。此外，示波器的电压测量范围不是由断开电压确定的，而是在不使用其中包含衰减器的探针的情况下通过接通电压的上限设置的，因而可以提高接通电压的检测准确度。另外，断开电压可以被适当地施加于目标测量晶体管，而不会将断开电压钳位，从而设置示波器的电压测量范围并且使得能够执行接通电压的适当且准确的电压检测。
图8是根据作为本公开的原理的具体示例的第二实施例的电压检测电路的电路图。在图8中，用相同的附图标记表示与图7所示的根据第一实施例的电压检测电路中的元件相似或相同的元件，并且将省略其描述。
在根据第二实施例的电压检测电路中，提供了具有将其输出电压改变成任意值的可变增益功能的栅极驱动器10B，来替代驱动第一实施例的开关晶体管8A的栅极驱动器10A。
驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10B可以是通过改变其电源电压来改变输出电压的驱动器。
此外，在本实施例中，仅在目标测量晶体管3接通的时段内可以由示波器测量目标测量晶体管3的漏极电压，因此可以提高示波器的输入范围的敏感度。此外，没有使用其中包含衰减器的探针，因而可以以高准确度测量接通电压。
图9是根据作为本公开的原理的具体示例的第三实施例的电压检测电路的电路图。在图9中，用相同的附图标记表示与图7所示的根据第一实施例的电压检测电路中的元件相似或相同的元件，并且将省略其描述。
在根据第三实施例的电压检测电路中，驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A的输入端子经由连接线路7A连接到驱动目标测量晶体管3的栅极驱动器5A的输出。作为用于目标测量晶体管的栅极驱动器5A，例如，可以使用具有互补型晶体管的配置或在输出级具有单个单端晶体管的配置的晶体管，并且该晶体管可以是场效应晶体管、MOS晶体管、双极晶体管、前述晶体管的复合型晶体管、或具有与这样的晶体管的功能相同的功能的集成电路。利用前述配置，在与接通和断开目标测量晶体管3的时刻相同的时刻接通和断开开关晶体管8A。
作为另一选择，驱动开关晶体管8A的栅极驱动器10A的输入端子可以经由连接线路直接连接到控制栅极驱动器5A的脉冲生成器6的输出端子。然而，在这种情况下，脉冲生成器6被配置成具有允许脉冲生成器6控制两个栅极驱动器即栅极驱动器10A和栅极驱动器5A的输出能力。
此外，在本实施例中，仅在目标测量晶体管3接通的时段内可以由示波器测量目标测量晶体管3的漏极电压，因此可以提高示波器的输入范围的敏感度。此外，没有使用其中包含衰减器的探针，因而可以以高准确度测量接通电压。
图10A-10F是示出了使用第二实施例的电压检测电路测量功率晶体管的特性的情况的仿真结果的图表。
这些波形是“漏极电压”、“漏极电流”、“栅极电压”和“将源-漏电压除以漏极电流而获得的电阻值”。这些波形是在将脉冲输入目标测量晶体管3的栅极的情况下通过仿真而获得的。
图10A示出了表示通过将漏-源电压Vds除以漏极电流Ids而获得的值并代表开态下的导通电阻的波形。图10B示出了漏极电压的脉冲响应波形，图10C示出了漏极电流的响应波形，并且图10D示出了来自栅极驱动器10B的输出的波形。
图10E示出了图10A的波形的放大部分，图10F示出了图10B的波形的放大部分。图10F中示出的电压值V(漏)、V(探针)和V(bnc)如下。
V(漏)：图3的测量电路中的目标测量晶体管的漏极端子的电势；V(探针)：图4的探针等效电路的探针端子中的电势；V(bnc)：图8的分压端子25的电势。
根据图10F的波形了解：V(漏)是正确值，并且V(bnc)的结果与V(漏)的结果匹配。另一方面，V(探针)表示负值，应理解获得了明显不同的结果。在根据第二实施例的电压检测电路中，开态下的电压与V(漏)的值匹配，关态下的电压被维持在10V或更小电压。因此，到示波器的输入电压是实际电压的1/40或更小电压，因此示波器的输入敏感度可以提高至少约四十倍。
最后，将参照图11描述引入了根据本实施例的测量方法的、从半导体晶体管或集成电路（IC）的制造到产品运载的处理步骤。
首先，步骤S1示出了制造晶体管或IC的处理，在步骤S1中，对半导体晶片提供电连接，其中晶体管结构或集成电路结构被形成用于测试。在该阶段，提供电压或电流的针或探针与作为晶体管或IC的电接口的电极相接触，以测量在对其施加电压或电流时出现的静态和动态响应特性。选择静态和动态响应特性由于制造问题等而达不到标准的装置（第一选择）。
接着，在步骤S2中，通过使用本实施例的电压检测电路评估晶体管或IC的开关特性，准确挑选出不执行期望操作的晶体管或IC（第二选择）。通过第一选择和第二选择，可以去除后续封装步骤中的不必要的封装操作。
随后，在步骤S3中，通过切分等将晶片状态下的晶体管或IC切割成单独的芯片（元件）。
接着，在步骤S4中，仅选择除了包含在步骤S1和S2中被确定为缺陷的晶体管或IC的芯片之外的芯片，执行树脂密封，形成外部连接端子，从而执行封装。
然后，在步骤S5中，对封装的晶体管或IC再次执行引入根据本公开的电压检测电路的开关特性的评估，并且评估其动态响应特性以执行最终选择（第三选择）。
在步骤S6中，仅运载出在步骤S5中通过选择的封装的晶体管或IC作为产品。
本文所阐述的所有示例和条件语言意图用于教示目的，以帮助读者理解本发明以及本发明人对促进技术所贡献的构思，并且不应被理解为限制这样具体阐述的示例和条件，并且说明书中的这样的示例的组织也与表示本发明的优劣无关。虽然已经详细描述了本发明的实施例，但是应理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改、替代和变型。

Claims (6)

1.一种电压检测电路，包括：
晶体管；
耦合到所述晶体管的开关，其中所述开关的第一端耦合到所述晶体管的漏极端子；
第一驱动器，其与驱动所述晶体管的栅极端子的第二驱动器同步地控制所述开关；以及
第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器的第一端与所述第二电阻器的第一端串联耦合，
其中，所述第二电阻器的第二端耦合到所述开关的与所述第一端相对的第二端，并且所述第一电阻器的第二端接地。
2.根据权利要求1所述的电压检测电路，
其中，所述晶体管是场效应晶体管，金属氧化物半导体晶体管，双极晶体管，GaN-高电子迁移率晶体管，或所述场效应晶体管、所述金属氧化物半导体晶体管、所述双极晶体管和所述GaN-高电子迁移率晶体管的复合类型晶体管。
3.根据权利要求2所述的电压检测电路，
其中，所述开关是场效应晶体管或双极晶体管，并且具有等于或高于所述晶体管的击穿电压的击穿电压。
4.一种用于测量晶体管的特性的方法，包括：
在所述晶体管周围布置开关、第一驱动器、第二驱动器、第一电阻器和第二电阻器，所述开关耦合到所述晶体管，所述开关的第一端耦合到所述晶体管的漏极端子，所述第一驱动器与驱动所述晶体管的栅极端子的所述第二驱动器同步地控制所述开关，所述第一电阻器的第一端与所述第二电阻器的第一端串联耦合，所述第二电阻器的第二端耦合到所述开关的与所述第一端相对的第二端，并且所述第一电阻器的第二端接地；
同时接通和断开所述第一驱动器和所述第二驱动器；以及
通过测量所述第一电阻器和所述第二电阻器的连接点的电压来计算所述晶体管的漏极电压。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，所述第一电阻器和所述第二电阻器的所述连接点直接耦合到示波器的输入。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
与所述第一电阻器和所述第二电阻器的所述连接点的电压同时地测量所述晶体管的接通电流；以及
基于所述第一电阻器和所述第二电阻器的所述连接点的电压和所述接通电流来计算所述晶体管的导通电阻。
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