遠(yuǎn)山半導(dǎo)體1700V GaN器件的特性測(cè)試方案

遠(yuǎn)山半導(dǎo)體

遠(yuǎn)山半導(dǎo)體在連續(xù)推出幾款高壓GaN器件后，最終將他們最新款產(chǎn)品的額定電壓推向1700V，相較于之前的1200V器件又有了顯著的提升。為了解決GaN器件常見的電流崩塌問題，他們采用特有的極化超級(jí)結(jié)（PSJ: Polarization Super Junction）技術(shù)，并對(duì)工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使器件的額定工作電壓和工作電流得到更大的提升（1700V/30A）。

本次測(cè)試采用遠(yuǎn)山半導(dǎo)體提供的1700V/100mΩ規(guī)格GaN樣品,其可以輕松應(yīng)對(duì)1000V輸入電壓下的開關(guān)測(cè)試需求，在靜態(tài)測(cè)試條件下，1700V時(shí)測(cè)得反偏漏電流Idss = 4.48uA（Vgs = -8V）。

掃描反偏電壓測(cè)試漏電流可以得到下面的曲線，10uA漏電流時(shí)，Vds電壓大于1750V，擊穿電壓得到較好的驗(yàn)證。

由于是常開型器件，需要使用負(fù)電壓關(guān)斷，在測(cè)試器件的閾值電壓時(shí)，我們的掃描范圍設(shè)置在-8V~+3V之間，當(dāng)Vds = 10V，Id =1mA時(shí)，實(shí)測(cè)閾值電壓Vth為-4.1V。

當(dāng)Vds=10V時(shí)，掃描Vgs測(cè)試器件的Vth閾值電壓

導(dǎo)通狀態(tài)下測(cè)試器件的導(dǎo)通電阻Rdson，測(cè)試條件為Vgs = +3V，Id = 20A，電流脈寬300uS，四線模式下實(shí)測(cè)導(dǎo)通電阻為107mΩ。

在了解基本的靜態(tài)特性后，我們?cè)俅螌?duì)器件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。由于我們目前的GaN測(cè)試電路最大測(cè)試電壓只能達(dá)到1000V，安全起見，我們?cè)?00V電壓條件下對(duì)該器件進(jìn)行了雙脈沖測(cè)試。測(cè)試條件如下：

Vds = 900V，Rgon = Rgoff = 2Ω，Vgson = 3V, Vgsoff = -8V, Id = 20A，負(fù)載電感L = 200uH。

三條波形曲線從上到下依次為Vgs，Vds和Id，可以看到在900V電壓條件下，Vds波形在兩次導(dǎo)通階段內(nèi)仍然保持比較穩(wěn)定的低電壓，Vds波形在器件導(dǎo)通過程中電壓非常接近0V，表示功率器件在高壓下的硬開關(guān)操作，并沒有導(dǎo)致導(dǎo)通電壓的上升，驗(yàn)證了未出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證功率器件在開關(guān)過程中的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻值，我們使用鉗位探頭對(duì)器件的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)量。我們使用電壓鉗位探頭對(duì)Vds電壓進(jìn)行鉗位測(cè)量，鉗位探頭的優(yōu)勢(shì)是可以過濾信號(hào)的高壓部分，使用較小的量程對(duì)低壓部分進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。比如功率器件的源漏極反偏電壓，在關(guān)斷條件下可能達(dá)到幾百伏甚至上千伏，導(dǎo)通條件下只有幾百毫伏，為了在快速開關(guān)條件下，準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)通條件下的器件兩端電壓降，使用帶有鉗位功能的探頭將是非常好的選擇。

在下圖中，從上到下的波形依次為柵極電壓Vgs，反偏電壓Vds，導(dǎo)通電流Id，鉗位電壓Vds-clamp，以及動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻D-Rdson。

動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的計(jì)算可以根據(jù)歐姆定律，使用鉗位電壓Vds-clamp除以導(dǎo)通電流Id，在示波器上使用Math功能直接進(jìn)行計(jì)算，也可以使用Tekscope軟件，在電腦端對(duì)波形進(jìn)行計(jì)算處理。

使用公式編輯功能直接計(jì)算導(dǎo)通電阻曲線

在不同電壓條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試，得到如下歸一化動(dòng)態(tài)電阻。

可以看到的是，隨著測(cè)試電壓的升高，器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增加比例相對(duì)較小，器件在高壓開關(guān)條件下呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

在實(shí)際測(cè)試中，較之前測(cè)試的1200V器件，遠(yuǎn)山1700V的器件也體現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)特性。

結(jié)語

遠(yuǎn)山半導(dǎo)體提供的1700V GaN器件再次讓我們刷新了對(duì)GaN器件的認(rèn)知，其性能正在快速逼近甚至超出主流SiC功率器件的特性指標(biāo)。在未來，如果GaN器件能進(jìn)一步證明其長(zhǎng)期工作可靠性，并展現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)，將極有可能在工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出替代SiC功率器件的潛質(zhì)。