CN113777462B - 一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置 - Google Patents

一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置，主要包括：在搭建的测试系统中，开启功率开关器件，齐纳二极管发生雪崩击穿，产生稳定电压B，使待测功率器件导通，关闭功率开关器件，待测功率器件关闭，即可观测到待测功率器件的源漏电压和漏极电流，此后，通过调节直流电压源的电压和变阻器，多次重复本操作，观察器件的工作电压和电流变化情况，调节直流电压源的电压和变阻器保证器件工作在所需要的条件下。本发明通过对直流电源电压和变阻器的调节，使得器件工作在稳定的源漏电压和漏极电流的条件下，在此过程中，通过观测器件导通过程中的源漏电压和漏极电流的变化情况，从而为器件的进一步的改进提供帮助。

Description

一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置
技术领域
本发明涉及功率半导体鲁棒性领域，特别是涉及一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置。
背景技术
随着半导体产业的迅速发展，越来越多的领域开始大规模应用功率半导体器件。而器件的可靠性得到了人们的广泛关注，当器件工作在所需要的大电流电压下时，提供电压或电流的电源很难保证电压和电流都保持在理想状态。如果电流密度过大，会导致器件无法在安全工作区(SafeOperationArea,SOA)内工作，产生热击穿等现象，对器件以及电路带来极大的危害。如何使功率器件工作在高压大电流的情况下时仍有可靠的性能，如何改善器件的安全工作区，是如今的各大半导体厂商都面临着的难题。
现在普遍认为，功率半导体器件的故障或者性能退化，是由于器件结温的波动。例如在功率MOSFET器件的安全工作区中，除了导通电阻限、最大电流限、耗散功率限和击穿电压限以外，还有二次击穿限。二次击穿通常表现为器件耐压突然下降，而电流仍在上升，此时体现出了“负阻”的效应，器件从高压小电流的状态进入低压大电流的状态。大电流会引起器件在某些部位电流密度较大，使得器件内部的电场很强，两者一起影响了器件耗尽区的固定电荷，使载流子产生了雪崩式倍增，从而产生了雪崩击穿，改变了器件内部结构，使器件耐压下降，诱导了二次击穿。二次击穿会降低器件安全工作区中的二次击穿限，由于电流的集中，器件会发生热量集中导致的永久性失效。因此,保持器件工作在稳定的电流和电压条件下是一个重要的研究方向。
功率MOSFET器件工作于线性模式时，处于高压大电流的状态,由于器件此时的导通电流(ID)与栅源电压(VGS)、阈值电压(VTH)有关,而阈值电压与温度呈负相关,当器件工作一段时间后,器件温度上升会导致阈值电压的下降,从而导致器件的导通电流上升。温度也进一步上升,由此形成了恶性循环，目前还没有相关技术能够解决这一问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法及装置，用于解决背景技术中提及的技术问题，本发明通过对直流电源电压和变阻器的调节，使得器件工作在稳定的源漏电压和漏极电流的条件下，在此过程中，我们可以通过示波器观测器件在导通过程中的源漏电压和漏极电流的变化情况，从而为器件的进一步的改进提供帮助。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法，包括如下步骤：
步骤S1、构建测试系统：
所述测试系统包括直流电压源(1)、功率开关器件(2)、示波器(8)，其中，
所述直流电压源(1)的正极与待测功率器件(3)的漏极以及齐纳二极管(6)的阴极进行连接，所述直流电压源(1)的负极与所述功率开关器件(2)的源极进行连接；
所述功率开关器件(2)漏极与功率电阻(4)以及变阻器(5)的第一端进行连接，在所述功率开关器件(2)栅极与源极之间还连接有脉冲电压源(7)，其中，所述功率电阻(4)的第二端与所述齐纳二极管(6)的阳极以及所述待测功率器件(3)的栅极进行连接，所述变阻器(5)的第二端与所述待测功率器件(3)的源极进行连接；
所述示波器(8)的观测点位于设置在所述待测功率器件(3)源漏两端并用于捕捉、显示所述待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流；
步骤S2、测试操作：
首先，开启所述功率开关器件(2)，所述齐纳二极管(6)发生雪崩击穿，产生电压降B，使得所述待测功率器件(3)导通；
然后，关闭所述功率开关器件(2)，所述待测功率器件(3)随即关闭，在所述示波器(8)中观测到待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流。
进一步的，所述脉冲电压源(7)产生栅脉冲电压A，通过在所述功率开关器件(2)的栅极上加所述栅脉冲电压A，以实现对功率开关器件(2)的开启与关断的控制。
进一步的，当所述功率开关器件(2)开启时，所述齐纳二极管(6)发生雪崩击穿，产生电压降B，所述功率电阻(4)两端产生电压C，在待测功率器件(3)的栅极和与待测功率器件(3)连接的变阻器(5)的另一端加上所述电压C，以实现对待测功率器件(3)的开启与关断的控制。
进一步的，其特征在于，通过调节所述直流电压源(1)和所述齐纳二极管(6)的电压降B，控制所述待测功率器件(3)的漏极、栅极、源极电压。
进一步的，通过调节所述变阻器(5)，控制所述待测功率器件(3)的漏极电流。
一种适用于功率器件的二次击穿限测试的装置，所述装置包括：直流电压源(1)、功率开关器件(2)、示波器(8)，其中，
所述直流电压源(1)的正极与待测功率器件(3)的漏极以及齐纳二极管(6)的阴极进行连接，所述直流电压源(1)的负极与所述功率开关器件(2)的源极进行连接；
所述功率开关器件(2)漏极与功率电阻(4)以及变阻器(5)的第一端进行连接，在所述功率开关器件(2)栅极与源极之间还连接有脉冲电压源(7)，其中，所述功率电阻(4)的第二端与所述齐纳二极管(6)的阳极以及所述待测功率器件(3)的栅极进行连接，所述变阻器(5)的第二端与所述待测功率器件(3)的源极进行连接；
所述示波器(8)的观测点位于设置在所述待测功率器件(3)源漏两端并用于捕捉、显示所述待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流。
本发明的有益效果是：
1、因为电源提供的电压、电流很难同时保持在理想状态，而器件受到电压和电流的影响较大，并且器件本身没有自适应的能力，甚至器件工作使的电流会随着时间增长形成正反馈，导致器件无法工作在一个稳定的条件下。本发明消除了电源不理想对器件工作条件的影响，通过一个与待测器件的源极相连的变阻器，对此时器件的栅漏电压进行分压，使栅源电压下降，从而使得电流下降，最终使电流保持在稳定状态，即电流的变化是一个负反馈的过程。
2、器件的温度随着导通时间增加而升高，而阈值电压随着温度升高而降低，因此器件的工作电流上升，形成了正反馈过程。本发明消除了阈值电压不稳定的影响，通过一个与待测器件的源极相连的变阻器，使器件实际的栅源电压变小，从而使得电流下降，最终使电流保持在稳定状态，形成了负反馈过程。
3、与器件源极相连接的变阻器，有一定的调节范围，经过理论计算为变阻器设置一个初始值，再通过示波器对器件实际工作电流的观察，可以通过进一步调节变阻器的阻值，改变器件的工作电流。通过多次调节和观察直到达到所需的工作状态。
4、本发明通过调节直流电源电压和变阻器，可以得到多种不同的电压和电流组合，因此本测试方法适用于提供多种不同功率器件的工作条件。
附图说明
图1为实施例1中提供的一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法的流程图；
图2为实施例2中提供的一种适用于功率器件的二次击穿限测试的装置的电路结构图；
图3为实施例2中提供的一种适用于功率器件的二次击穿限测试的装置的波形图；
附图中：
1-直流电压源、2-功率开关器件、3-待测功率器件、4-功率电阻、5-变阻器、6-齐纳二极管、7-脉冲电压源、8-示波器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法，包括以下测试步骤：
步骤S1、测试系统搭建：
系统包括直流电压源1和示波器8，直流电压源1的正极连接有待测功率器件3、齐纳二极管6，且与待测功率器件3的漏极、齐纳二极管6的阴极连接，直流电压源1的负极连接有功率开关器件2，且与功率开关器件2的源极连接，功率开关器件2的漏极连接有功率电阻4、变阻器5，并且与功率电阻4的一端、变阻器5的一端连接，功率电阻4的另一端连接有齐纳二极管6、待测功率器件3，并且与齐纳二极管6的阳极、待测功率器件3的栅极连接，变阻器5的另一端连接有待测功率器件3且与待测功率器件3的源极连接，功率开关器件2的栅极通过脉冲电压源7与功率开关器件2的源极连接；示波器8的观测点位于待测功率器件3的源漏两端并用于捕捉、显示待测功率器件3的源漏电压和漏极电流；
步骤S2、测试操作：
步骤S201、开启功率开关器件2，齐纳二极管6发生雪崩击穿，产生电压降B，使待测功率器件3导通；
步骤S202、关闭功率开关器件2，待测功率器件3随即关闭，即可在示波器8中观测到待测功率器件3的源漏电压和漏极电流，根据观测结果调节变阻器5；
步骤S203、重复上述步骤S202多次，多次观察待测功率器件3在不同变阻器5的阻值下的工作电压和电流变化情况，挑选合适的阻值保证器件工作在所需要的条件下。
具体的说，在本实施例中，脉冲电压源7产生栅脉冲电压A，通过在功率开关器件2的栅极上加栅脉冲电压A，以实现对功率开关器件2的开启与关断的控制。
具体的说，在本实施例中，齐纳二极管6通过功率电阻4与功率开关器件2的漏极连接，当功率开关器件2开启时，功率开关器件2的漏极电压降低，齐纳二极管6发生雪崩击穿，产生电压降B，功率电阻4两端产生电压C，在待测功率器件3的栅极和与待测功率器件3连接的变阻器5的另一端加上电压C，以实现对待测功率器件3的开启与关断的控制。
具体的说，在本实施例中，通过调节直流电压源1和齐纳二极管6的电压降B，控制待测功率器件3的漏极、栅极、源极电压；通过调节变阻器5，控制待测功率器件3的漏极电流。
实施例2
参见图2和图3，本实施例提供一种适用于功率器件的二次击穿限测试的装置，包括直流电压源1和示波器8，直流电压源1的正极连接有待测功率器件3、齐纳二极管6，且与待测功率器件3的漏极、齐纳二极管6的阴极连接，直流电压源1的负极连接有功率开关器件2，且与功率开关器件2的源极连接，功率开关器件2的漏极连接有功率电阻4、变阻器5，并且与功率电阻4的一端、变阻器5的一端连接，功率电阻4的另一端连接有齐纳二极管6、待测功率器件3，并且与齐纳二极管6的阳极、待测功率器件3的栅极连接，变阻器5的另一端连接有待测功率器件3且与待测功率器件3的源极连接，功率开关器件2的栅极通过脉冲电压源7与所述功率开关器件2的源极连接；所述示波器8的观测点位于待测功率器件3的源漏两端并用于捕捉、显示待测功率器件3的源漏电压和漏极电流。
具体的说，在本实施例中，构造上述的如图2所示的装置，如图3所示为脉冲电压源7，脉冲电压源有固定的幅值、周期以及可以调节的脉冲宽度。
更具体的说，根据图3所示的脉冲波形对装置进行操作，VG为功率开关器件2的栅驱动波形，控制功率开关器件2的开启与关断，ID和VDS分别为待测功率器件3的漏极电流和源漏电压，其中VG的宽度决定待测功率器件3的导通时间，经过多次调节，使用示波器8观测器件的漏极电流和源漏电压，并记录数据。
更具体的说，根据图3所示脉冲波形，通过控制功率开关器件2的导通时间，可以调节待测功率器件3的工作时间，由于电路未调节好时，待测功率器件3的漏极电流可能为正反馈状态，工作时间过长可能会导致器件发热失效，所以先将脉冲设置为较小宽度，用示波器8观测待测功率器件3的工作状态，然后再逐步增加导通时间，观测待测功率器件3的工作状态是否为理想状态。重复上述操作，并记录数据。
工作原理：
在本发明中，功率开关器件2的栅极施加脉冲宽度可调的脉冲电压，功率开关器件2处于开启状态时，功率开关器件2的漏极电压从关闭时的电源电压下降到通态压降。当功率开关器件2关闭时，电路中电流为零，在功率开关器件2导通的一瞬间，电流从零开始上升，此时的电源电压大部分施加在未击穿的齐纳二极管6的两端，随后齐纳二极管6被击穿，将待测功率器件3的栅漏两端的电压稳定在齐纳二极管6提供的稳定电压上。此时电路导通，在功率电阻4上有一定的分压，这个电压加在待测功率器件3的栅极和源极所连接的变阻器5两端，因此待测功率器件3开启。
经过脉冲宽度所示的时间长度之后，功率开关器件2的栅极电压降到零，功率开关器件2随即关闭，齐纳二极管6两端电压为零，功率电阻4两端电压为0，不能再给待测功率器件3提供栅源电压，待测功率器件3随即关闭，电路进入关闭状态。
通过示波器可以观察到待测功率器件3的源漏电压和漏极电流，通过调节直流电压源1和选择所需电压降的齐纳二极管6，控制待测功率器件3的漏极、栅极、源极电压。通过调节变阻器5，控制待测功率器件3的漏极电流。
重复进行上述操作，直到待测功率器件3的源漏电压和漏极电流达到理想状态。
综上所述，采用本发明适用于功率器件的二次击穿限测试方法可以通过对直流电源电压和变阻器的调节，使得器件工作在稳定的源漏电压和漏极电流的条件下，在此过程中，我们可以通过示波器观测器件导通过程中的源漏电压和漏极电流的变化情况，从而为器件的进一步的改进提供帮助。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、构建测试系统：
所述测试系统包括直流电压源(1)、功率开关器件(2)、示波器(8)，其中，
所述直流电压源(1)的正极与待测功率器件(3)的漏极以及齐纳二极管(6)的阴极进行连接，所述直流电压源(1)的负极与所述功率开关器件(2)的源极进行连接；
所述功率开关器件(2)漏极与功率电阻(4)以及变阻器(5)的第一端进行连接，在所述功率开关器件(2)栅极与源极之间还连接有脉冲电压源(7)，其中，所述功率电阻(4)的第二端与所述齐纳二极管(6)的阳极以及所述待测功率器件(3)的栅极进行连接，所述变阻器(5)的第二端与所述待测功率器件(3)的源极进行连接；
通过调节所述直流电压源(1)和所述齐纳二极管(6)的电压降B，控制所述待测功率器件(3)的漏极、栅极、源极电压；
通过调节所述变阻器(5)，控制所述待测功率器件(3)的漏极电流；
所述示波器(8)的观测点位于设置在所述待测功率器件(3)源漏两端并用于捕捉、显示所述待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流；
步骤S2、测试操作：
首先，开启所述功率开关器件(2)，所述齐纳二极管(6)发生雪崩击穿，产生电压降B，使得所述待测功率器件(3)导通；
然后，关闭所述功率开关器件(2)，所述待测功率器件(3)随即关闭，在所述示波器(8)中观测到待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流。
2.根据权利要求1所述的一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法，其特征在于，所述脉冲电压源(7)产生栅脉冲电压A，通过在所述功率开关器件(2)的栅极上加所述栅脉冲电压A，以实现对功率开关器件(2)的开启与关断的控制。
3.根据权利要求1所述的一种适用于功率器件的二次击穿限测试方法，其特征在于，当所述功率开关器件(2)开启时，所述齐纳二极管(6)发生雪崩击穿，产生电压降B，所述功率电阻(4)两端产生电压C，在待测功率器件(3)的栅极和与待测功率器件(3)连接的变阻器(5)的另一端加上所述电压C，以实现对待测功率器件(3)的开启与关断的控制。
4.一种适用于功率器件的二次击穿限测试的装置，其特征在于，所述装置包括：直流电压源(1)、功率开关器件(2)、示波器(8)，其中，
所述直流电压源(1)的正极与待测功率器件(3)的漏极以及齐纳二极管(6)的阴极进行连接，所述直流电压源(1)的负极与所述功率开关器件(2)的源极进行连接；
所述功率开关器件(2)漏极与功率电阻(4)以及变阻器(5)的第一端进行连接，在所述功率开关器件(2)栅极与源极之间还连接有脉冲电压源(7)，其中，所述功率电阻(4)的第二端与所述齐纳二极管(6)的阳极以及所述待测功率器件(3)的栅极进行连接，所述变阻器(5)的第二端与所述待测功率器件(3)的源极进行连接；
所述示波器(8)的观测点位于设置在所述待测功率器件(3)源漏两端并用于捕捉、显示所述待测功率器件(3)的源漏电压和漏极电流。
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