一种SiC Mosfet阈值电压监测系统及方法

技术领域

本发明涉及SiC Mosfet阈值电压监测技术领域，尤其涉及一种SiC Mosfet栅偏实验中的阈值电压监测系统及方法。

背景技术

在正常使用器件时，由于半导体-氧化层界面处缺陷的产生和/或充放电，SiCMOSFET的阈值电压可能略有漂移。由于这种漂移通常是向更大的电压值偏移，因此会导致器件的导通电阻变大。这又导致损耗增加，以及散热需求增大，从而可能缩短器件的使用寿命。

阈值电压(VT)是评价在栅偏应力下器件特性变化的一个关键参数。没有精确测量阈值电压，就不可能监测施加在器件上的动态应力如何改变器件特性。

Mosfet阈值电压测试典型电路如图1所示。测试原理：DS短接，SMU1输入规定电流IDS，测试该电流下的Vge，即为阈值电压VT。

在中国专利申请文献CN101825680B中，公开了一种阈值电压测量方法及系统，通过获得半导体器件的亚阈值斜率，对器件施加应力，在阈值测量时间点，测量器件的线性漏电流，根据所述亚阈值斜率及线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压。

在中国专利申请文献CN110763972B中，公开了一种MOSFET的阈值电压的测量方法，根据初始阈值电压设定栅极电压测量范围，在栅极电压测量范围内测量MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线，从而得到最大跨导值并线性外推形成最终阈值电压。

在中国专利申请文献CN103576065B中，公开了一种晶体管阈值电压的测试电路，在测试电路中加入开关电路，通过开关电路控制待测器件在电路处于断路时处于应力状态，测试电路通路时处于测量状态，通过上述两种状态计算得到待测器件的阈值电压。

在中国专利申请文献CN109782147A中，公开了一种碳化硅MOSFET高温栅偏测试方法，通过选择正向扫描模式或负向扫描模式，通过电子开关实现栅偏电压关闭与阈值电压测试的快速切换，在关闭栅极电压的瞬间t0时刻进行阈值电压的测试。

现有技术至少存在以下不足：

1.未全面考虑NBTI恢复效应和PBTI恢复效应的影响。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统及方法，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。本发明考虑了恢复效应，在测试脉冲前施加预处理脉冲，使得测量的阈值电压更准确，实现了测试脉冲预处理电路及阈值电压测试回路间的快速切换，由控制器控制脉冲宽度和上电间隔时间，精度可控，满足测试要求。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；

所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；

所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；

所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；

当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；

所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；

所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。

优选地，所述预处理脉冲的宽度t_con为1-100ms。

优选地，所述预处理脉冲与所述测试脉冲间设置的所述间隔时间t_float<10ms。

优选地，所述测试脉冲的宽度t_VT<10ms。

优选地，所述开关模块包括多个簧式继电器或多个高频继电器。

优选地，所述簧式继电器或高频继电器的动作时间在百微秒以内。

优选地，所述第一开关K1的第一端与第三开关K3的第一端和被测SiC Mosfet的栅极连接；所述第三开关K3的第二端与所述第二开关K2的第一端、所述第四开关K4的第一端和被测SiC Mosfet的漏极均连接；所述第二开关K2的第二端接地，所述第四开关K4的第二段与恒流源的正极连接，恒流源的负极接地。

优选地，所述开关模块包括第一电阻、第一电容、第二电阻和第一三极管，所述第一电阻与所述第一三极管的栅极连接，在所述测试回路为所述阈值电压检测电路时，测试脉冲经过所述第一电阻输入所述第一三极管的栅极，所述第一三极管的漏极分别与第一开关K1和第二开关K2连接，所述第一三极管的漏极还与所述第二电阻连接，所述第二电阻和所述第一电容串联后与所述第二开关K2并联。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测方法，采用上述的任一SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括如下步骤：

步骤101，在第一预设时间点t1，控制器控制驱动模块输出预处理脉冲的高电平信号VP0，预处理脉冲的脉冲宽度为t_con，预处理脉冲的高电平信号VP0信号施加在被测样品SiC Mosfet的栅极上；

步骤102，在第二预设时间点t2，t2＝t1+t_con，控制器控制驱动模块输出测试脉冲的高电平信号VP1，第一开关K1的继电器通电，使第三开关K3的继电器线圈上电，第二开关K2的继电器在间隔时间t_float后上电，t2+t_float＝t3；

步骤103，在时间点t3，第二开关K2的继电器通电，使第四开关K4的继电器线圈上电，进行阈值电压的检测。

优选地，t_con的时间长短由控制器控制，控制器控制测试脉冲的脉冲宽度t_VT。

本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

1.本发明考虑了恢复效应，在测试脉冲前施加预处理脉冲，使SiC/SiO2界面脱离非稳态电荷状态，解决了现有栅极阈值电压测试稳定性差的问题，提高了测量的阈值电压更准确；

2.本发明开关模块包括簧式或高频继电器，簧式继电器或高频继电器的动作时间在百微秒以内，保证了测试脉冲预处理电路及阈值电压测试回路间的快速切换，解决了SiCMosfet阈值电压测试要求的测试时长严苛的问题；

3.本发明控制VP0、VP1的时序，结合继电器及RC电路实现预处理脉冲的宽度t_con、测试脉冲的宽度t_VT和预处理脉冲与所述测试脉冲间设置的所述间隔时间t_float的设置，并能够精确控制时延，使t_con、t_VT、t_float满足测试要求，简化了外围电路的设计，提高了测试设备的抗干扰能力；

4.本发明第一开关K1和第二开关K2闭合且第三开关K3和第四开关K4断开时，测试回路为测试脉冲预处理电路；第一开关K1和第二开关K2断开且第三开关K3和第四开关K4闭合时，测试回路为阈值电压检测电路，实现了阈值电压检测电路的简化，可将其直接集成到现有高温栅偏设备中，解决了高温栅偏试验设备阈值电压检测能力缺乏的问题。

附图说明

图1为Mosfet阈值电压测试典型电路示意图，其中，iDS为测试电流，source为Mosfet的源极；GATE为Mosfet的门极，Drain为Mosfet的漏极，SMU1为源测量单元，VT为阈值电压输入规定电流IDS；

图2为本发明的一个实施例的带预处理的阈值电压测试波形示意图，图中，VDS为Mosfet漏极和源极间的电压，VGS为Mosfet的栅极与源极间电压，VGS_max为Mosfet的栅极与源极间最大电压；

图3为本发明的一个实施例的SiC Mosfet阈值电压监测系统框图；

图4为本发明的一个实施例的测试回路为测试脉冲预处理电路的电路示意图；

图5为本发明的一个实施例的测试回路为阈值电压检测电路的电路示意图；

图6为本发明的一个实施例的开关模块的电路原理图；

图7为本发明的一个实施例的测试回路的电路原理图；

图8为本发明的一个实施例的SiC Mosfet阈值电压监测方法中继电器动作时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-8，对本发明的具体实施方式作详细的说明。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；

所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；

所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；

所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；

当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；

所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；

所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。

由于恢复效应，SiC mosfet的VT随器件栅偏置时长和测量速度会发生内在变化，因此需要通过执行标准化的调节程序来稳定VT读数，从而在SiC Mosfet栅偏试验中获得更一致的阈值电压VT信息。如果在未执行预处理情况下直接测量VT，在VT读出时，SiC/SiO2界面可能处于非稳态电荷状态，从而可能导致VT漂移评估的错误结果。为了检测阈值电压VT时，使SiC/SiO2界面脱离非稳态电荷状态，可以在测试脉冲前，施加预处理脉冲。

根据本发明的一个具体实施方案，所述预处理脉冲的宽度t_con为1-100ms。

根据本发明的一个具体实施方案，所述预处理脉冲与所述测试脉冲间设置的所述间隔时间t_float<10ms。

根据本发明的一个具体实施方案，所述测试脉冲的宽度t_VT<10ms。

根据本发明的一个具体实施方案，所述开关模块包括多个簧式继电器或多个高频继电器。

根据本发明的一个具体实施方案，所述簧式继电器或高频继电器的动作时间在百微秒以内。

根据本发明的一个具体实施方案，所述第一开关K1的第一端与第三开关K3的第一端和被测SiC Mosfet的栅极连接；所述第三开关K3的第二端与所述第二开关K2的第一端、所述第四开关K4的第一端和被测SiC Mosfet的漏极均连接；所述第二开关K2的第二端接地，所述第四开关K4的第二段与恒流源的正极连接，恒流源的负极接地。

根据本发明的一个具体实施方案，所述开关模块包括第一电阻、第一电容、第二电阻和第一三极管，所述第一电阻与所述第一三极管的栅极连接，在所述测试回路为所述阈值电压检测电路时，测试脉冲经过所述第一电阻输入所述第一三极管的栅极，所述第一三极管的漏极分别与第一开关K1和第二开关K2连接，所述第一三极管的漏极还与所述第二电阻连接，所述第二电阻和所述第一电容串联后与所述第二开关K2并联。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测方法，采用上述的任一SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括如下步骤：

步骤101，在第一预设时间点t1，控制器控制驱动模块输出预处理脉冲的高电平信号VP0，预处理脉冲的脉冲宽度为t_con，预处理脉冲的高电平信号VP0信号施加在被测样品SiC Mosfet的栅极上；

步骤102，在第二预设时间点t2，t2＝t1+t_con，控制器控制驱动模块输出测试脉冲的高电平信号VP1，第一开关K1的继电器通电，使第三开关K3的继电器线圈上电，第二开关K2的继电器在所述间隔时间t_float后上电，t2+t_float＝t3；

步骤103，在时间点t3，第二开关K2的继电器通电，使第四开关K4的继电器线圈上电，进行阈值电压的检测。

根据本发明的一个具体实施方案，t_con的时间长短由控制器控制，控制器控制测试脉冲的脉冲宽度t_VT。

实施例1

根据本发明的一个具体实施方案，对本发明的SiC Mosfet阈值电压监测系统进行详细说明。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；

所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；

所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；

所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；

当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；

所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；

所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。

控制器控制驱动模块，使开关模块动作。通过开关模块，将测试回路进行测试脉冲预处理电路及阈值电压检测电路间的切换，被测样品SiC Mosfet位于测试回路中。在阈值电压检测电路模式下，结合阈值电压采集模块，完成阈值电压检测。

实施例2

根据本发明的一个具体实施方案，对本发明的SiC Mosfet阈值电压监测系统进行详细说明。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；

所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；

所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；

所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；

当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；

所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；

所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。

所述第一开关K1的第一端与第三开关K3的第一端和被测SiC Mosfet的栅极连接；所述第三开关K3的第二端与所述第二开关K2的第一端、所述第四开关K4的第一端和被测SiC Mosfet的漏极均连接；所述第二开关K2的第二端接地，所述第四开关K4的第二段与恒流源的正极连接，恒流源的负极接地。

所述开关模块包括第一电阻、第一电容、第二电阻和第一三极管，所述第一电阻与所述第一三极管的栅极连接，在所述测试回路为所述阈值电压检测电路时，测试脉冲经过所述第一电阻输入所述第一三极管的栅极，所述第一三极管的漏极分别与第一开关K1和第二开关K2连接，所述第一三极管的漏极还与所述第二电阻连接，所述第二电阻和所述第一电容串联后与所述第二开关K2并联。

实施例3

根据本发明的一个具体实施方案，对本发明的SiC Mosfet阈值电压监测系统进行详细说明。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括：控制器、开关模块、驱动模块、测试回路、阈值电压采集模块和供电模块；

所述供电模块为所述控制器、所述开关模块和所述驱动模块供电；

所述控制器与所述驱动模块和所述开关模块分别连接；所述驱动模块与所述开关模块连接；所述开关模块与所述测试回路连接；所述测试回路与所述阈值电压采集模块连接；

所述控制器控制所述驱动模块，通过所述驱动模块使所述开关模块动作，所述开关模块的动作使所述测试回路在测试脉冲预处理电路与阈值电压检测电路间进行切换，所述开关模块的动作在百微秒以内完成；所述开关模块包括多个继电器，分别控制第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均为所述开关模块中继电器的开关；

当所述测试回路为阈值电压检测电路时，所述阈值电压采集模块采集所述测试回路的阈值电压；

所述测试脉冲预处理电路在测试脉冲前施加预处理脉冲，并在预处理脉冲与测试脉冲间设置间隔时间；

所述测试回路包括被测SiC Mosfet及外围电路，当所述第一开关K1和所述第二开关K2闭合且所述第三开关K3和所述第四开关K4断开时，所述测试回路为所述测试脉冲预处理电路；当所述第一开关K1和所述第二开关K2断开且所述第三开关K3和所述第四开关K4闭合时，所述测试回路为所述阈值电压检测电路。

所述第一开关K1的第一端与第三开关K3的第一端和被测SiC Mosfet的栅极连接；所述第三开关K3的第二端与所述第二开关K2的第一端、所述第四开关K4的第一端和被测SiC Mosfet的漏极均连接；所述第二开关K2的第二端接地，所述第四开关K4的第二段与恒流源的正极连接，恒流源的负极接地。

所述开关模块包括第一电阻、第一电容、第二电阻和第一三极管，所述第一电阻与所述第一三极管的栅极连接，在所述测试回路为所述阈值电压检测电路时，测试脉冲经过所述第一电阻输入所述第一三极管的栅极，所述第一三极管的漏极分别与第一开关K1和第二开关K2连接，所述第一三极管的漏极还与所述第二电阻连接，所述第二电阻和所述第一电容串联后与所述第二开关K2并联。

所述预处理脉冲的宽度t_con为1-100ms，所述预处理脉冲与所述测试脉冲间设置的所述间隔时间t_float<10ms，所述测试脉冲的宽度t_VT<10ms。

其中，所述开关模块包括多个簧式继电器或多个高频继电器。

其中，所述簧式继电器或高频继电器的动作时间在百微秒以内。

开关模块包括簧式或高频继电器，簧式继电器或高频继电器的动作时间在百微秒以内的，满足本发明快速切换的要求。

实施例4

根据本发明的一个具体实施方案，对本发明的SiC Mosfet阈值电压监测方法进行详细说明。

本发明提供了一种SiC Mosfet阈值电压监测方法，采用上述的任一SiC Mosfet阈值电压监测系统，包括如下步骤：

步骤101，在第一预设时间点t1，控制器控制驱动模块输出预处理脉冲的高电平信号VP0，预处理脉冲的脉冲宽度为t_con，预处理脉冲的高电平信号VP0信号施加在被测样品SiC Mosfet的栅极上；

步骤102，在第二预设时间点t2，t2＝t1+t_con，控制器控制驱动模块输出测试脉冲的高电平信号VP1，第一开关K1的继电器通电，使第三开关K3的继电器线圈上电，第二开关K2的继电器在所述间隔时间t_float后上电，t2+t_float＝t3；

步骤103，在时间点t3，第二开关K2的继电器通电，使第四开关K4的继电器线圈上电，进行阈值电压的检测。

其中，t_con的时间长短由控制器控制，控制器控制测试脉冲的脉冲宽度t_VT。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。