CN108287300A - 一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和装置属于半导体器件测量技术领域。本发明设计了包括：采用FPGA产生脉宽可调的测试信号；设计了MOSFET栅极驱动电路及栅极测试信号的附加电路，在MOSFET处于一个稳定工作的状态下，利用测试信号附加电路，在栅极原有的工作开启电压上叠加一个大小可调的测试信号；检测漏源电压的变化，当其值变化幅度高出设定标准时，监测电路产生一个指示信号传送给FPGA；基于FPGA的内部计时器，将测试信号的产生时刻和指示信号的接收时刻分别记录，求出二者时差，利用时差与温度间的线性关系，结合工作功率反应的结到壳的温差，求解出器件在该工作状态下的结温。

Description

一种测量工作状态下的绝缘栅型场效应晶体管结温的方法和 装置

技术领域

该技术属于微电子技术中的半导体器件测量技术领域，具体为绝缘栅场 效应晶体管(MOSFET)可靠性测试领域。该发明主要应用于快速、非破坏 的绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)在线结温测量。

背景技术

绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)器件在使用过程中需要长久地考虑其 可靠性问题，特别是大功率应用中，大量的热产生，致使有源区温度升高。 器件长期在过高温度下使用会造成其参数特性的退化，甚至引起击穿烧毁。 因此，测量器件在所需工作条件下的结温能够很好地关注器件工作状态是否 异常，以及有效预防器件损坏。

现有的测试方法主要包括红外热像法、传统电学法测热阻、直接内置温 度传感器等。由于实际器件有封装，红外热像仪直接检测到的是器件外壳温 度，若要测得结温，则会破会器件管壳，同时，还要图像处理，实际操作过 程复杂且测试周期长；电学法测量温升，主要通过测量器件各环节材料的热 阻，再计算出器件的结温，但该方法无法在器件工作时进行在线测量，其工 作信号到测试信号的开关转换速度限制了各环节热阻信息提取的完整性；内 置温度传感器的方法虽然解决了上述两方法的限制，但是在工业应用中会提 高器件的设计难度和成本。

因此，提出一种测量工作时的绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)器件结 温的方法，该方法基于载流子迁移率与温度之间存在关系，如下公式所示，

其中，μ_n为电子迁移率，为电子有效质量，T为温度。当温度升高时， 电子迁移率降低，导致电子的运动速度变慢。在器件工作的时刻，如果栅极 信号发生了变化，那么漏源两端信号也相应发生变化。器件工作是大量载流 子运动形成稳定导通沟道的结果，由于器件封装后，在恒定电流条件下工作， 沟道宽度恒定，若温度变化使得载流子运动变慢，就会导致栅极变化引起的 漏源两端的响应时间变长。

实际测试中，通过栅极附加一个有限脉宽的较小的测试信号，引发漏源 极电压的变化，期间，由于前述的原因会有一个响应延迟时间，这个时间延 迟与器件的工作结温存在线性关系，便以此推断出器件结温。另外，由于所 加测试信号的幅值小且时间短，则其引起的功率变化很小，即结温变化极小， 可以忽略。

发明内容

本发明的主要发明点在于：采用FPGA产生脉宽可调的测试信号；设计 了MOSFET栅极驱动电路及栅极测试信号的附加电路，在MOSFET处于一个 稳定工作的状态下，利用测试信号附加电路，在栅极原有的工作开启电压上 叠加一个大小可调的测试信号；检测漏源电压的变化，当其值变化幅度高出 设定标准时，监测电路产生一个指示信号传送给FPGA；基于FPGA的内部计 时器，将测试信号的产生时刻和指示信号的接收时刻分别记录，求出二者延 迟时差。基于上述这些发明点，通过测定器件的基本参考曲线，之后进行实 际测量，就能较为准确地测量工作中的MOSFET器件结温。

本发明提供了一种测量工作状态下的MOSFET器件结温的装置，其特征 包括以下部分：

测量装置示意图见图1。

被测MOSFET器件300放置在可调温的恒温平台301上，被测器件300 的漏源极D、S分别接到工作电源302的正负极；计算机101给FPGA模块 101发送开始指令，同时保存FPGA模块101传输的数据；FPGA模块101与 测试信号的调幅电路200的输入连接，此外，还与指示信号滤波电路401的 输出连接；FPGA模块还起到测试流程的控制和测试数据的计算处理作用；栅 极开启驱动电路201的输入连接电压源203；调幅电路200和驱动电路201一 同连接至测试信号附加电路202的输入，附加电路202的输出与被测器件300 的栅极G连接；监测电路401的输入一个连接被测器件300的漏极D，另一 个连接电压源402，其输出连接滤波电路401的输入。

使用上述连接的装置测量器件结温的温度系数的方法如下：

1)将被测MOSFET器件300放置在可调温的恒温平台301上，器件300 的栅、源、漏极各自连接好导线，设置恒温平台301的温度为Tc；

2)通过电源203设置被测器件工作的漏源恒定电压值和电流值，同时在 FPGA模块101内设置测试信号脉宽，调节调幅电路设定所需的测试信号大 小；

3)通过电压源203设定栅极开启电压，使得器件300在所设定的电压电 流值下开始导通工作，记录下工作时的漏源电压值V和漏源电流值I；

4)根据实际的漏源电压值V，利用电压源402设定监测电路的监测值；

5)计算机100给FPGA模块101发送指令，使其发送一个测试信号，同 时FPGA模块101内部计时器模块开始记录一个起始点值A1；等待测试信号 引起的漏源电压变化超过监测值时，监测电路400发出指示信号，经滤波电 路401后，FPGA模块101接收该信号，同时其内部计时器模块记录下这个结 束点值A2；

6)FPGA模块101内部计时器模块计算出延迟时间△T，将该值传给计 算机；

7)重复步骤5)、步骤6)多次计算同一温度下的延迟时间，并对这些 延迟时间取平均得到平均延迟时间t_avg；

8)改变恒温平台301温度，重复步骤3)到步骤7)的操作，得到该温 度点下的平均延迟时间；

9)重复步骤8)，得到多个不同温度下对应的不同的平均延迟时间；

10)移除被测器件300和恒温平台301后，测量得整个系统电路的固有 延迟时间t_crt；

11)将平均延迟时间扣除电路固有延迟，得到器件延迟时间t_dut；同时， 利用热阻仪或是器件手册得到器件结壳热阻R_th，再结合器件工作功率P＝V*I， 最终得到器件结温T_j；做图表，得出不同工作功率下的不同结温度T_j对应的 不同器件延迟时间曲线t_dut，利用曲线得到温度系数。

使用上述连接的装置测量工作中器件结温的方法如下：

Ⅰ、将被测器件300栅、源、漏极连接导线，设定电源302的电压和电 流值；之后，让器件300开启工作，待稳定后，用电压源402来设定监测电 路400的监测值；

Ⅱ、执行FPGA模块101内的测试程序，给器件300栅极一个附加的测试 信号，等待监测电路400发出指示信号，经滤波电路401后被FPGA模块101 接收，通过其内部程序处理后，自动将单次的延迟时间△T传给计算机100；

Ⅲ、重复步骤Ⅱ若干次，求出平均延迟时间；

Ⅳ、撤除器件300，测试出电路固有延迟时间，并结合Ⅲ中的平均延迟时 间，计算出器件300的延迟时间；

Ⅴ、根据Ⅰ中所设定的电压、电流值，计算出器件300的工作功率，利 用测量器件结温的温度系数图表，找到对应工作功率下的曲线及其温度系数， 计算出该工作条件下的器件结温。

本发明的创新点如下：

1.从方法上看，利用延迟时间与结温的关系测量工作中的器件结温这 个思路是新的，虽然其他方法也可以测结温，但是，有的会破坏器件，有 的不是在工作时刻。

2.通过电路设计采集这个延迟时间信号，电路设计是新的，附加信号 的电路是传统，但是用这个方法才能完成测试信号的附加。另外，对于漏 源端电压变化的检测，利用比较器把检测信号从模拟微小量转化为FPGA 可接收的数字量，这个想法也是新的(虽然比较器电路是传统的，但是此 处的应用算是器件测量中的一个新应用)。

3.先测温度系数和后实际应用，这个是必须的，不然没办法应用，但 是可以共用一套系统。

4.整个测试过程必须要由FPGA做控制，因为这样时间计量上才能准 确，也才能保证测试过程中附加信号的可控，不会因为测试信号问题，引 起不必要的误差。

5.电路模块已经是非常精简的，任何的电路引入都会引起固有电路的 延迟的增加，增加越多，越不好。这个电路设计只有比较器模块和附加测 试信号电路两个模块有与器件延迟时间同一量级的固有电路延迟时间引 入，其余部分都是远小于的。

6.电路上的操作流程必须是上面规定的，先让器件工作，根据实际工 作设置监测值，最后，由FPGA开始测试，完成时间参数提取。

附图说明

图1本发明装置示意图

图中序号对应的名称如下：

100计算机 101FPGA模块

200测试信号调幅电路 201 栅极开启驱动电路 203电压源1

300被测MOSFET器件 301恒温平台 302漏源工作电源

400监测电路 401指示信号滤波电路 401电压源2

图2栅极附加测试信号以及引起的漏源极响应的电压时序示意图

其中：t₀时刻器件导通工作，加在栅极的开启电压为V_g，漏极导通电压 为V_d；器件稳定工作后，t₁时刻附加测试信号△V_g，器件有响应延迟，在t₂时刻，V_d发生变化，变化量为△V_d。

图3测量出的工作中MOSFET器件结温的温度系数示意图

具体实施方式

将被测MOSFET器件300放置于可调温的恒温装置301，例如恒温平台， 这定平台温度为T_c。将器件300的漏源两极连接到外部供电电源302，漏极接 高，源极接地，设定电源的输出电压V和电流I。FPGA模块101通过内部程 序设定测试信号脉宽(即所加的测试信号时间，时间应小于1ms，尽可能减 小测试信号所引起的自升温)，并利用外部调幅电路200设定信号的大小， 该电路主要是两个电阻组成的分压电路，调整可变电阻的阻值，调整其两端的电压值得到△V。器件正常工作需要栅极加压开启导通通道，调电压源203 的输出电压大小，使得器件300在设定的电压V和电流I条件下工作，其通 过驱动电路201(由mic4452芯片组成)，再连接到测试信号附加电路202的 输入上，附加电路202是以OPA627芯片为核心的加法电路，该电路将驱动 电路201的输出和测试信号做模拟上的值相加，这样就可以出现附图中图2 的信号情况，附加电路202的输入连到器件300的栅极上。正常的工作时候， 没有测试信号，所以电路202的输出就是电压源203的大小。此时，给监测 电路400(由ADCMP604芯片制成的比较器)设置监测值，当漏极电压发生 变化，且变化值大于一定范围，例如可以设置电压源402一个值比漏极工作 电压V小300mV，这样监测电路才输出指示信号，表明电压变化超范围。

开始工作后，通过计算机100给指令至FPGA模块(型号为 EP2C8Q208C8N)101，二者通过USB Blaster连接，测试信号通过电路202 给至器件300栅极，栅极电压变大导致源漏极在相同的电流条件下所需的漏 源电压的驱动值变小。此刻，器件300内部响应延迟导致漏极电压变化超监 测范围的时刻有一个小的滞后，带电路400发出指示信号后，经滤波电路401 剔除误触的假信号，之后传给FPGA模块101接收。FPGA模块101内部程序 记录发出测试信号的时刻和接收到指示信号的时刻，计算时差将其传给计算 机100。多次(一般10次)按该段的过程测试出多个延迟时间，之后取平均。

由于电路其他部分本身也会引入延迟，所以需要在无器件300的情况下， 测试电路系统的固有延迟时间。电路没有300、301、302三部分，将电路202 的输出直接连接到电路400输入，同时将电压源402设定变化的大小改为以 电压源203的输入作为基准值，且关注的是附加信号所引起的电路202输出 变大的情况。其余过成程与前述部分相同。将含器件300所测的延迟时间减 去电路系统延迟时间，就得到器件延迟时间。

改变恒温平台温度，按上述步骤再重复一次，分别得到同一个工作功率 下的不同温度下的器件延迟时间，一般温度点取6个以上。由于恒温平台301 只是器件300的壳温设置，还需要加上结到壳的温差(同一功率下其值是相 同的)，利用器件手册可知器件结壳热阻R_th，根据公式T_jc＝R_th*P＝R_th*V*I， 则器件结温T_j＝T_c+T_jc，最终可以做出一条拟合图线。

再改变工作功率(要有多组V、I，一般5组以上)，按照上述的所有步 骤重复，又可以得到不同功率下的不同温度的延迟时间。综上得到器件结温 的温度系数相关图表。

实际测量同型号器件的工作时的结温，直接利用该系统，无需给器件加 外部恒温装置301，按照温度系数测试方式，得到该功率下的器件延迟时间， 再去温度系数图表中查找相对应的功率下的拟合曲线，将该值带入，即可求 出该条件下的器件工作时的结温。

必须注意的是，在这些测试过程中，需要保证测试信号的脉宽和幅值大 小始终保持一致。

Claims (4)

1.一种检测工作状态下的MOSFET器件结温的装置，其特征在于，包括以下部分：

被测MOSFET器件放置在可调温的恒温平台上；器件的漏源两端接外部电源，器件的栅极接到测试信号附加电路的输出端；

FPGA链路分成两部分，一部分为测试信号的产生，该部分与测试信号附加电路一个输入端连接，另一部分是指示信号的接收，其与漏源电压监测电路的输出端连接；

测试信号附加电路输入端有两个，其中一个连接至调幅电路的输出，这个电路由一个可调电阻与一个固定电阻组成，实现测试信号的大小调节，而调幅电路的输入与FPGA的测试信号的产生端口连接；测试信号附加电路的另一输入端连接栅极驱动电路的输出，驱动电路的输入连接用于设置栅极开启电压的外部电源，不加测试信号时，该电路的输出信号即为栅极开启电压，若加上测试信号，则电路的输出变为在工作下的开启电压基准上叠加一个测试电压信号；

漏源电压监测电路，其输入端接器件漏极，此电路的输出端连接FPGA指示信号接收口；

利用FPGA内部设置的计时器，计算测试信号产生时刻和指示信号接收时刻之间的时间差，通过串口通信将该值传给计算机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，被测器件工作在恒定电流的条件下，栅极测试信号变化引起的是被测器件漏源两端的电压变化，而两端的导通电流一直是恒定的。

3.应用权利要求1所述装置测量工作状态下的MOSFET器件结温温度系数的方法，其特征在于，步骤如下：

1)将被测MOSFET器件放置在可调温的恒温平台上，器件的栅、源、漏极各自连接好导线，设置恒温平台的温度为T_c1；

2)通过外部电源设置被测器件工作的漏源恒定电压值和电流值，同时在FPGA内设置测试信号脉宽，调节调幅电路内的可变电阻，设定所需的测试信号大小；

3)调节栅极驱动的开启电压大小，使得器件在所设定的电压电流值下开始导通工作，记录下工作时的漏源电压值V₁和漏源电流值I₁；

4)根据实际的漏源电压值V₁，设定监测电路的监测值；

5)通过给FPGA发送指令，使其发送一个测试信号，同时FPGA内部计时器模块开始记录一个起始点值A₁；等待测试信号引起的漏源电压变化超过监测值时，监测电路发出指示信号，FPGA接收指示信号，同时其内部计时器模块记录下这个结束点值A₂；

6)FPGA内部计时器模块继续计算结束点值与起始点值之差，即N＝A₂-A₁；同时根据FPGA内部时钟频率得到时钟周期△t，即可得到总的时间差△T＝N*△t，称为延迟时间，将该值传给计算机；

7)重复步骤5)、步骤6)多次计算同一温度下的延迟时间，并对这些延迟时间取平均得到平均延迟时间t_avg；

8)改变恒温平台温度，重复步骤3)到步骤7)的操作，得到该温度点下的平均延迟时间；其中需要注意的是通过调整栅极驱动的开启电压，确保改变温度后，器件的源漏工作电压及电流和原来值即V₁，I₁大小一致；

9)重复步骤8)，得到多个不同温度下对应的不同的平均延迟时间；

10)由于信号经过各个电路模块会额外产生延迟，所以在移除被测器件后，利用前述步骤再测试一遍，便能得到电路固有延迟时间t_crt；需要注意的是，由于没有被测器件，所以监测电路的检测信号需要改变，设定测试信号附加电路输出直接作为监测基准值；

11)将平均延迟时间扣除电路固有延迟，就是器件延迟时间t_dut＝t_avg-t_crt；同时，平台温度仅是器件壳温T_c1，还需要利用热阻仪或是器件手册得到器件结壳热阻R_th，根据结壳温度T_jc＝R_th*P＝R_th*V*I，可求出在这一工作条件即电压V₁和电流I₁下的器件结温T_{j1_1}＝T_c1+T_{jc1_1}；之后，在同一工作条件下电压V₁和电流I₁，改变恒温平台温度，得到相应的器件结温；

12)改变工作条件即设定不同的V和I，重复步骤1)至10)，可以得到另外一组结温；做相关图表，得出不同工作功率下的不同结温度T_j对应的不同器件延迟时间曲线t_dut，利用曲线得到温度系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤如下：

Ⅰ、将被测器件栅、源、漏极连接导线，设定工作电压和电流值；之后，让器件顺利开启工作，当工作状态下的漏源两端的电压、电流达到设定值大小，且不再跳变时，设定好监测电路的监测值；

Ⅱ、执行FPGA内的测试程序，给器件栅极一个附加的测试信号，等待监测电路发出指示信号，直到被FPGA接收到，自动将单次的延迟时间△T传给计算机；需要注意的是测试信号的脉宽和大小应与权利要求3中2)项的设置是一致的；

Ⅲ、重复步骤Ⅱ若干次，求出平均延迟时间；

Ⅳ、在撤除器件的条件下，按照权利要求3中10)项的方法测试出电路固有延迟时间，并结合Ⅲ中的平均延迟时间，计算出器件延迟时间；

Ⅴ、根据Ⅰ中所设定的电压、电流值，计算出器件的工作功率，利用权利要求3中12)项内所作出的图表，找到对应工作功率下的曲线及其温度系数，计算出该工作条件下的器件结温。