高壓電容-電壓 (HV CV) 測量對于表征最新一代寬帶隙功率半導體器件越來越重要，因為這些測量對于預測開關時間和柵極電荷等關鍵動態器件特性非常有用。但對功率半導體進行 HV CV 測量并非易事。高電壓需要額外的人身安全預防措施，以處理系統電容問題，并保護儀器免受過壓。

HV CV 測量需要使用精心挑選的偏置三通，該器件將來自 SMU 儀器的高壓偏置信號與來自電容儀器的交流測量信號相結合，同時將儀器彼此隔離。偏置三通的電容阻擋了SMU儀器對電容表的干擾;電感器會阻止 CV 表干擾 SMU 儀器。由于功率半導體的電容是電壓的函數，為了獲得器件開關行為的完整圖像，設計人員需要在器件的最大電壓下測量電容。

用于 CV 測量 的三通

典型的射頻儀器偏置三通在功率半導體測試中存在缺陷。這些三通專為交流測量而設計，在特定頻率范圍內工作，并采用同軸設計。然而，表征功率器件需要進行許多其他測量，包括開啟狀態和關閉狀態。進行斷態測量，例如表征器件的零柵極電壓漏極電流(I DSS)，特別難以通過同軸偏置三通執行，因為它們通常需要測量微安或納安級別的電流。傳統的同軸偏置三通具有高泄漏，這通常會導致本底噪聲高于設備測量值。為了測量這些低電流，測試工程師通常被迫首先執行直流 IV 測量，然后必須重新布線并重新配置系統以進行 CV 測量。顯然，這種方法不是最優的：不斷的重新布線/重新配置既費時又容易出錯。

更好的解決方案是多模三軸偏置三通，它可以保持在原位以進行 CV 和 dc IV 測量(圖 1)。三軸設計確保更準確的低電流直流測量，因為 SMU 保護是三同軸內屏蔽，交流回路/接地是三同軸外屏蔽。三軸偏置三通最大限度地減少了在設備接口的探頭側更改連接的需要。除了低泄漏之外，該設計還提供開關，讓用戶可以配置以優化所需測量類型的路徑。使用適當的軟件，這些開關可以自動配置為所需的測量。對于 IV 和 CV 測量，偏置三通的輸出和 DUT 之間的連接是相同的。

圖 1：多模三軸偏置三通設計

電容容量

測量 3 端子和 4 端子器件上兩個器件端子之間的電容是另一個重大挑戰，因為并聯電容路徑和器件電容之間的大比率對測量精度和分辨率有重大影響。

評估開關電源中 MOSFET 的人員通常對電路級電容(輸入、輸出和傳輸電容)感興趣，它們是終端級電容的組合(圖 2)。對 MOSFET 等功率器件的電容測量具有挑戰性，因為要測量的電容與其他器件電容相互連接。電容器之間的比率也會影響測量精度，如與測量功率 MOSFET 的輸入電容 (C ISS ) 相關的挑戰所示(圖 3)。

圖 2：終端級電容。

圖 3：測量功率 MOSFET 的輸入電容。請注意， 如果 BT#3 的電容明顯大于 C DS ，則 BT #3 的電容會使 C DS短路。

使用多模偏置三通測量 C ISS 意味著在設備的每個端子上使用偏置三通，在每個端子上使用 SMU 儀器。這允許在每個端子上施加直流偏置。

測量 C ISS時，最大的挑戰是漏極和源極之間的電容會影響測量的準確性。圖 4 顯示了源極端子 (BT #3) 處的偏置三通電容如何幫助減少此問題。功率 MOSFET 的電容如圖 1 所示。4 在一個簡單的 3 端子模型中。

圖 4. 功率 MOSFET 電容的 3 端模型。由于 C BT3 明顯大于 C DS，因此交流漏極和源極電壓大致相同，測得的電容等于 C ISS。

CV 表產生的任何交流電流都會流過所有三個端子級電容。需要一個電容器來“短路”C DS ，以便出現在漏極處的相同交流電壓也出現在 FET 的源極端子上。這個短路電容必須比C DS大得多，因此它的阻抗要低得多。它還必須針對高壓進行額定，因為在功率 MOSFET 的 CV 測量期間，漏極端子會出現高壓。

放置此短路電容器后，沒有交流電流流過 C DS，因此 CV 表測量的交流電流正是由于C ISS的組件C GD 和 C GS引起的。FET 源極端子的偏置 T 型電容是這種短路電容的有效解決方案。它可以在偏置三通的低壓輸入側使用電纜連接。這些多模偏置 T 型接頭還極大地簡化了剩余電路電平(C OSS、C RSS)和端子電平(C GS、C GD、C DS )的測量) 電容。同樣，通過在器件的每個端子上允許偏置，無需額外硬件即可輕松測量耗盡型器件(例如 GaN 晶體管)的電容。這些三軸多模偏置 T 型接頭可以在商用 3,000-V 功率器件上進行高壓 CV 測量。

結論

驗證功率半導體器件需要特別注意選擇正確的儀器、連接器和電纜。有關選擇過程和可用選項的更多信息，我建議您觀看我的在線網絡廣播，了解如何簡單準確地驗證功率半導體器件設計。

審核編輯：湯梓紅