本文介紹了使用多個電流探頭研究SiC和GaN功率半導體器件的電極間電容。它分為四部分：雙電流探頭法原理、測量結果、三電流探頭法原理和測量結果。

在高開關速度、低導通電阻、高工作溫度等方面，過去幾年中，基于SiC/GaN的器件吸引了大量的研究。與傳統(tǒng)的硅（Si）基半導體器件相比，這為高功率應用提供了更平穩(wěn)的功能，甚至降低了運營成本。因此，SiC 和 GaN 支持可重復使用能源、HEMT、高功率工業(yè)設備等應用。

功率半導體器件具有電壓相關的電極間電容，在開關損耗換向以及電磁兼容性（EMC）中起著至關重要的作用。

圖 1a： 常導氮化鎵 HEMT 圖 1b： 常 關? 碳化硅 JFET

上圖1a顯示了電容為C gd、C gs和C ds的GaN HEMT的常導通條件，圖1b顯示了電容C gd和C gs的常導狀態(tài)。 在實驗過程中，注意到C-VDS曲線總是給出一個VGS電壓值。 由于電極間電容的強非線性，在高V DS電壓下的線性坐標中不可能獲得準確的信息。因此，研究人員和工程師必須能夠輕松表征這些電容，從而應用于功率器件的建模。

雙電流探頭法原理

必須設計一種研究人員可以輕松操作的新裝置，以表征SiC和GaN功率半導體器件中的電容。因此，計算未知阻抗Z x的排列方式如圖2所示。

圖2 - 兩個電流探頭測量的基本設置

在該圖中，使用矢量網絡分析儀、電流接收探頭和電流注入探頭。借助電流探頭的等效變壓器模型，公式1可以表述為：

等式1-阻抗方程式

在這里，網絡分析儀探測并測量 S參數 S 11 和 S21。而K和Z設置是分別描述電流探頭和連接線之間的耦合效應以及測量配置阻抗的兩個參數。

為了確定這些參數的值，我們用兩個精密標準電阻代替公式1中的Z X，得到兩個方程。通過求解這些方程以找到K和Z設置，這種排列可用于查找未知阻抗Z x。

測量結果

圖4顯示了使用多探頭方法測得的JFET電容。如結果所示，SiC JFET電極間電容與V DS和VGS均具有相關性。

圖3：測量的電容

在40伏電壓下，可以看到表面幾乎重疊，這意味著低電壓可以很容易地被檢測到并通過探頭。此外，多探頭方法允許比阻抗分析儀具有40V偏置V DS電壓限制的更高V DS 電壓。

三電流探頭法原理

雙電流探頭方法的主要問題是精度限制，新的三電流探頭方法抑制了精度限制。這使用一個帶有一個CIP和兩個CRP的額外電流探頭來直接計算電極間電容，如圖4a所示。

圖4a-初步設置

然而，要使這種設置正常工作，必須形成一個等效的測量電路，如圖4b所示。這里，端口 1 的信號源是 V1，而 Vp 1、Vp2 和Vp 3 是在各自端口測量的信號電壓。

圖4b-等效電路

保持所有端口的輸出和輸入阻抗為50，Z p1、Z p2和Zp3分別是注入和接收探頭的輸入阻抗。探頭和電路之間的互感用M 1、M 2和M3表示，而Z w、Z w1和Zw2表示導線連接的寄生阻抗。根據歐姆定律，電壓V1通過注入探頭在電路中 感應出電流IW。

從圖4b中，可以制定一個矩陣（如圖5所示），該矩陣使用基爾霍夫電壓定律來查找未知阻抗Z x1和Zx2。

圖5-配方基質

未知阻抗Z x1和Zx2可以如圖6所示表示。

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圖6-阻抗公式

網絡分析儀測量S參數，而借助六個精密標準電阻，可以獲得探頭和測量配置之間的耦合效應Q 1和Q2。

測量結果

下圖5a和5b分別顯示了V DS等于0V和20V時的C ds阻抗和相位測量結果。

圖5a：C ds測量結果 圖5b：Cgd測量結果

如結果所示，C ds和Cgd在1MHz 時都接近噪聲水平，這使得計算1MHz時的電容變得困難。GaN HEMT具有如此小的電極間電容，以至于它們在1MHz左右的測量阻抗相當大，導致測量不足。

結論

對使用多探針法測量SiC/GaN半導體器件電壓依賴性電極間電容進行了技術研究。在實驗過程中，進行了基本設置，其中所提出的方法具有將測量設備與直流偏置電源隔離的優(yōu)點。在SiC JFET的“常關”條件下，該方法允許表征電極間電容。該表征是在高偏置VDS電壓下進行的，測量結果證明了該方法的準確性。相反，“常開”GaN HEMT的測量結果可能不會發(fā)生，因為1MHz左右的電極間阻抗使得CRP接收的電流非常小，結果幾乎是噪聲。為了應對這些不便，兩個CRP繞組了更多的匝數，以提高其測量靈敏度。結果表明，這種改進大大提高了小電極間電容值的測量精度。該應用可以成功用于傳統(tǒng)的硅功率器件及其電極間表征。
審核編輯：陳陳