宇航用VDMOS的自動測試系統設計

許慧 王艷潔 劉小敏

【摘 要】為了評估宇航用VDMOS的電參數及抗輻射性能，本文提出一個新的宇航用VDMOS參數測量系統。在虛擬儀器架構上開發自動測量程序及設計測量夾具，引入高DC偏置電容測量與多路復用開關技術，構建出一套多模式全自動切換、高精度、快速參數測量系統。使用本系統對自主研發的一款應用于宇航電子繼電器的高壓大功率VDMOS開關管芯片的電參數和抗輻射性能進行實測分析。分析了芯片的傳輸特性、閾值電壓、寄生電容等特征參數在總劑量輻照前后偏差。討論了管芯柵氧厚度與總劑量輻照參數偏移量的關系，以及抗單粒子輻照極限工作電壓值。測試結果表明該VDMOS芯片性能良好，為后續的改進及實際應用提供了依據，同時該測試系統具備高效率，高測量精度等優點。

【關鍵詞】VDMOS；自動測試系統；電參數；單粒子效應

中圖分類號： TP274.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0039-004

【Abstract】In order to evaluate the electrical characteristics and radiation tolerance of VDMOS applied in aerospace， a new automatic test system was designed. Automatic measurement program and test setup are developed based on Virtual instrument framework， and by introducing techniques of the high DC bias capacitance measurement and the multiplex switch， a set of measurement system with high accuracy and speed， which be able to automatically switch among multi-modes is constructed. Using this test system， a self-developed high voltage power VDMOS， applied in electronic relay for aerospace applications are tested and analyzed. The test and analyze parameters include radiation tolerance and electrical parameters. The deviation of the electrical characteristics before and after radiation experiments has been analyzed， including transfer characteristics， threshold voltage， and parasitic capacitance. The relationship between the gate oxide thickness and TID effects and anti-single particle irradiation limit operating voltage has also been discussed. The experiment results have shown the VDMOS chip performed well and pave the way for further performance improvements and practical applications. At the same time， this test system can acquire the performance data effectively with great accuracy.

【Key words】VDMOS； Automatic test system； Electrical characteristics； Single event effects

VDMOS（Vertical Double-diffused MOSFET）具有快速開關、低功耗、高度線性跨導、良好的頻率特性等特點，廣泛應用于航天電源系統的控制與調節。然而，VDMOS在太空實際工作時會受到宇宙射線、高能粒子的影響，容易導致VDMOS電參數惡化，如單粒子柵穿SEGR（Single Event Gate Rupture）與單粒子燒毀SEB（Single Event Burnout），甚至功能失效[1-3]。因此，宇航用VDMOS要求在使用時具備極高的可靠性。

為了評估VDMOS的電參數及抗輻射性能研發人員設計了大量的測試系統。文獻[4]提出了一種以單片機為核心的參數測試儀，簡單且易于實現，能滿足一般的測量需求，可由于使用互感元件使得自身干擾極大，系統穩定性差且可測量不全；文獻[5]介紹的A/D采樣計數的輻射效應測試裝置，能夠實時檢測計數脈沖等試驗數據，但存在誤采樣、采樣精度不夠等隱患。文獻[6]提出的基于矢量網絡分析儀測量寄生電容的方法，其測量結電容準確性高，可對功率MOSFET的測量工作頻率局限于10MHz-15MHz。此外，現有的測量系統較為分立、缺乏通用性，實際使用時需要較高的人工參與度，測量效率低，嚴重制約著宇航用VDMOS的準確性能評估。

基于上述，本文提出并實現了一套新的宇航用VDMOS參數測量系統，在虛擬儀器架構基礎上，通過引入高DC偏置電容測量與多路復用開關技術，并結合設計的自動測量程序與測量夾具，可實現VDMOS電參數的高精度測量和抗輻射性能測試分析。該方案相比于傳統測試方案具有以下特點：可測參數項覆蓋全，且具備不同電參數測量模式間全自動切換、數據結果智能分析并生成報表、靈活性強且可伸縮配置等。使用該系統對自主研發的一款應用于宇航電子繼電器的高壓大功率VDMOS開關管電參數進行分析測量，為其在后續改進及航天系統應用方面提供依據。

1 自動測試系統設計

1.1 系統架構與硬件設計

測試系統的框架圖如圖1所示。通過PC機上的測量軟件結合測量夾具中相應的功能模塊，實現各類測量儀器輸出控制、數據采集與處理以及結果的判別保存。

系統實物圖如圖2所示。測試系統所使用的Agilent B1505是帶高電壓源測量單元（HVSMU）、強電流源測量單元（HCSMU）、高功率源測量單元（HPSMU）以及多頻電容測量單元（MFCMU）的分析儀[7]。其中HVSMU的測量輸出范圍是10 fA-8 mA/200 uV-1500 V，可以為器件的擊穿電壓參數測量提供漏端電壓；HCSMU的驅動電流可達到20 A，因此可為測量器件的輸出特性提供漏極偏置；MFCMU是測量器件寄生電容的主要模塊[8]。Fluke 8808A的作用是用于器件在抗輻射試驗時輸出電壓的監測，R&S; RTO1004示波器具備600M帶寬、10Gsa/s采樣率，用于開關時間的數據采集。

為了全面測試分析芯片的傳輸特性、閾值電壓、寄生電容等特征參數在總劑量輻照前后的偏差，管芯柵氧厚度與總劑量輻照參數偏移量的關系，以及抗單粒子輻照極限工作電壓值。本系統設計的測量夾具支持靜態參數、寄生電容、開關時間測量與抗輻射性能評估等多種功能，四個主要功能模塊如圖3所示。

靜態參數測量時，對于不同測量量，需要用功能不同的源測量單元對VDMOS漏極進行測量，為實現不同源測量單元之間的高效切換，測量夾具采用如圖3（a）所示靜態參數測量模塊。測量時根據接收到的程序指令，通過虛線框中不同的模塊選擇器，實現高電壓源測量單元、強電流源測量單元、高功率源測量單元之間的自動切換，從而使測量效率大幅提高。

器件的寄生電容測量主要依據自動電橋平衡電路來實現。針對此類高DC偏置的電容測量，在測量夾具中采用如圖3（b）的模塊。如圖3（c）所示，在測量Cgs時，由于漏極與AC保護端連接并處于高壓狀態，因此利用電阻器減少多頻電容測量單元對高電壓源測量單元的干擾，并引入保護電容使得從漏端看到的交流保護阻抗小于源/漏極。通過引入多路復用開關技術實現寄生電容測量自動化。此外，在上述高DC偏置的電容測量中，將MFCMU四個輸出接口的外屏蔽短接，為屏蔽中的感應電流建立返回路徑。利用開路補償消除電纜間及DUT與地之間的雜散電容影響，且采用短路補償消除測量路徑中的殘余電感與電阻影響，極大的保證了測量精度。

開關時間的測量以及抗輻射性能評估試驗主要通過如圖3（d）所示的功能模塊完成。開關時間測量時，SMU提供電壓偏置并控制開關的狀態切換，示波器捕獲這一變化的過程波形及數據。評估VDMOS抗輻射能力主要包括總劑量與單粒子測驗。在總劑量與單粒子測驗時，偏置與監測柵極和漏極電壓電流是通過源測量單元來實現，輸出電壓是由臺表探測獲得。

1.2 軟件設計

為了提高軟件開發效率，本測試系統的軟件開發采用LabVIEW圖形化編程語言。包括靜態參數I-V測試、寄生電容測試、開關時間測試、抗輻射性能測量。

軟件流程圖如圖4所示，在程序運行前選擇通訊地址。程序通過GPIB、RS232、TCP/IP網絡協議等通信協議并行對各設備進行初始化。自動依次選定待測量后，對所使用的儀器進行配置與數據采集。在所有測量完成后，釋放軟硬件資源，最后退出程序。

對于靜態參數測量，根據不同I-V曲線需求，使用順序結構程序逐一自動選擇HPSMU、HCSMU、HVSMU進行組合。為了能夠消除影響測量結果的器件自熱效應，根據VDMOS導通電阻正溫度系數特性，將施加于柵、漏極的SMU配置為同步階梯步進脈沖輸出。所采用的脈沖占空比為0.1%。測量程序采用While循環以及事件觸發方式，首先執行VDMOS脈沖遍歷掃點獲取所有I-V曲線特性，其次使用數據處理程序對閾值電壓（Vth）、漏極電流（IDSS）、柵極電流（IGSS）、導通電阻（RDS（on））、截止電壓（BVDSS）等參數進行提取。

如圖5所示為測量寄生電容時，其程序實現方式。在設備初始化后，軟件程序將進行相位、開路和短路補償，對儀器進行配置，使其在固定交流信號、不同直流偏置下執行測量。由自動電橋平衡以及公式（1）和公式（2）即可得實際阻抗Zdut，從而計算出寄生電容值。公式（1）中的V1、V2分別為圖3（b）所示電位計Hp和鎖定測量信號相位電位計Lp實際測得的電壓，R2為電橋內阻；公式（2）中Zm為系統整體測得的阻抗值，Zs和Yo分別為短路補償測得的阻抗值、開路補償所測得的導納值。

Z=■（1）

Zdut=■=■（2）

測量開關時間時，程序控制SMU使VDMOS處于一定工作偏置并進行開關切換，同時示波器以觸發模式捕獲其過程，并利用TCP/IP網絡協議從示波器中取回波形數據，從中識別電壓、電流變化規定值所對應的時間差值量。而對于單粒子試驗，程序控制SMU設定規定偏置后，在試驗過程中連續采集柵漏電流和輸出電壓，并實時進行數據分析，依據試驗中的偏置以及柵漏電流變化識別是否發生SEB、SEGR。此外，巧妙利用順序結構、while循環、事件觸發、選擇結構等使軟件具備良好的人機交互能力，試驗者可及時進行突發情況處理。

2 測試結果

本文利用上述所設計的測量系統，對一款BVDSS=200V的應用于宇航電子繼電器的高壓大功率VDMOS開關管進行測試分析，并評估芯片的性能。測試內容包括電參數、總劑量和抗輻射性能。

2.1 電參數測試

首先對VDMOS芯片進行電參數性能評估。本系統電壓測量精度最高是200nV、最低是40μV，電流測量精度最高是10pA、最低是40μA。將檢測數據和Verigy大型高精度自動測試機臺檢測得到的數據進行比較，誤差小于0.45%。這表明此VDMOS芯片的電性能良好，并且本文設計的測量系統具有極高的精度。

2.2 總劑量（TID）試驗

由于該VDMOS芯片是應用于航天電子繼電器系統，會受到空間輻射作用，因此還須進行總劑量試驗與單粒子試驗以評估其抗輻射性能。

VDMOS選取ON狀態（VGS=10V），使用60Coγ射線對其以劑量步進方式照射至100krad。分別在試驗前、50krad、試驗后三個不同時段對VDMOS的各項電參數進行測量。從圖6（a）可以看出，傳輸特性曲線隨著照射總劑量的增大逐漸向負方向偏移。閾值電壓Vth也向負方向偏移，從4.251V向負方向漂移至3.383V、2.992V。這是因為柵氧中氧化物陷阱電荷通常帶正電荷（oxide trapped charges），其對閾值電壓的漂移起到決定性的作用。平帶電壓決定了界面陷阱（interface traps）的正負性。輻照后，柵氧中產生的氧化物陷阱電荷量遠大于界面電荷，使閾值發生了左移。圖6（b）則是柵氧厚度分別為45nm和100nm時輻射前后的傳輸特性變化圖。由圖可見，閾值的漂移程度主要取決于柵氧的厚度。在相同工藝條件下，柵氧的厚度越厚，產生的氧化物陷阱電荷越多，閾值左移的幅度就越大。器件電容特性的變化在總劑量試驗前后的結果如圖6（c）、（d）所示。VDS的變化對VDMOS的柵源電容Cgs影響很小，對柵漏電容Cgd影響較大，這是VDS偏壓使耗盡層的大小發生變化而引起的。以上所述的總劑量試驗在中國計量院完成，根據上述總劑量試驗分析可看出所測的VDMOS的抗總劑量性能達標，并且本文設計的測量系統具有較高的測量效率。

2.3 單粒子（SEE）試驗

采用本文設計的系統在中科院蘭州近代物理研究所對同一批次的VDMOS進行單粒子性能評估。試驗時VGS在三種不同的偏置電壓下，即0V、-5V、-10V，在此三種偏置電壓下VDS從0V遞增至200V。試驗結果如圖7（a）所示，當VGS=0V，VDS=100V，VDS低于單粒子輻射環境VDMOS正常工作時的最高截止電壓值的情況下，柵極電流和漏極電流變化很小。但是漏極電流隨著VDS逐步增加而增加，當VDS=160V時，發生單粒子燒毀現象，此時漏極和柵極電流發生突變，同時試驗器件上可觀測到小范圍區域的燒焦。產生這些現象是因為重離子的入射導致器件內部產生了電子-空穴對，在VDS偏置下這些器件內部產生的電子-空穴對分別流向源極與漏極形成電流，由于增益系數β的影響，電流被進一步放大，引起離子化現象，導致最終產生次級擊穿和源漏間的短路[9]。此外如圖7（b）所示，隨著漏極電壓的增大漏極電流也跟著增大，當器件漏極擊穿產生較大短路電流時，則會引起SEB燒毀，而此時柵極電流的影響很小。

此外在柵源負壓情況下產生的附加柵極電場使輻射產生的空穴積聚到器件的柵界面，并且積聚的電荷隨著粒子注入的增加而增加，當最高截至電壓達到柵燒毀的臨界點時將會發生SEGR。因此如圖8所示，在VGS分別為0V、-5V、-10V的情況下，柵極負壓越大，VDMOS可正常工作的最高截止電壓越低。

3 結論

本文提出并實現了一套新的宇航用VDMOS參數測量系統。使用該系統獲取了一款應用于宇航電子繼電器高壓大功率VDMOS開關管芯片的電參數，并對其抗輻射性能進行了評估，可得VDMOS芯片的性能良好。在總劑量輻照下，該款VDMOS的閾值向負方向漂移，傳輸特性亦向負方向漂移，而寄生電容特性基本不變，同時閾值漂移幅度隨柵氧厚度的減小而減小。在單粒子輻照下，雖然VDMOS在額定截止電壓單粒子輻照下容易發生SEB以及SEGR損壞，但其抗單粒子性能也達到了較好預期。通過實際測量，表明該參數測量系統可精確、高效率的評估出VDMOS的電參數以及抗輻射性能，并為器件后續設計改版提供了強有力的數據支持。

【參考文獻】

[1]YU C H， WANG Y， CAO F， et al. Research of Single Event Burnout in Power Planar VDMOSFETs by Localized Carrier Lifetiom Control[J].IEEE Transactions on Electron Devices， 2014， 62（1）：143-148.

[2]WANG L X，GAO B， LIU G， et al. Single Event Effects of Power VDMOS Device Used in Satellites[J].Nuclear Techniques， 2012，35（6）：434-437.

[3]LOU J S， CAI N， WANG J， et al. Single Event Effects and Total Ionizing Dose Effects of Typical VDMOSFET Devices [J]. Nuclear Techniques，2012，35（6）：428-433.

[4]夏興隆，張雄，吳忠.功率MOSFET參數測試儀的設計[J].電子器件，2006（4）：1058-1060.

[5]趙又新.MOSFET輻射效應測試裝置的研制[J].核技術，2007，2（2）：152-156.

[6]宋清亮，晉兆國.一種高精度功率MOSFET參數測試系統[J].電力電子，2010，06：46-49.

[7]Agilent B1505A Power Device Analyzer/Curve Tracer Configuration and Connection Guide[R].8th ed.Agilent Technologies Inc，2015：9-293.

[8]劉小敏.航天用固態繼電器智能參數檢測系統設計[D]. 浙江大學碩士論文，2017.

[9]Scheick L， Gauthier M， Gauthier B. Recent Power MOSFET Test Results[J].IEEE Radiation Effects Data Workshop，2011，318（4）：1-6.