宇航用VDMOS的自动测试系统设计

许慧 王艳洁 刘小敏

【摘 要】为了评估宇航用VDMOS的电参数及抗辐射性能，本文提出一个新的宇航用VDMOS参数测量系统。在虚拟仪器架构上开发自动测量程序及设计测量夹具，引入高DC偏置电容测量与多路复用开关技术，构建出一套多模式全自动切换、高精度、快速参数测量系统。使用本系统对自主研发的一款应用于宇航电子继电器的高压大功率VDMOS开关管芯片的电参数和抗辐射性能进行实测分析。分析了芯片的传输特性、阈值电压、寄生电容等特征参数在总剂量辐照前后偏差。讨论了管芯栅氧厚度与总剂量辐照参数偏移量的关系，以及抗单粒子辐照极限工作电压值。测试结果表明该VDMOS芯片性能良好，为后续的改进及实际应用提供了依据，同时该测试系统具备高效率，高测量精度等优点。

【关键词】VDMOS；自动测试系统；电参数；单粒子效应

中图分类号： TP274.4 文献标识码： A 文章编号： 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）具有快速開关、低功耗、高度线性跨导、良好的频率特性等特点，广泛应用于航天电源系统的控制与调节。然而，VDMOS在太空实际工作时会受到宇宙射线、高能粒子的影响，容易导致VDMOS电参数恶化，如单粒子栅穿SEGR（Single Event Gate Rupture）与单粒子烧毁SEB（Single Event Burnout），甚至功能失效[1-3]。因此，宇航用VDMOS要求在使用时具备极高的可靠性。

为了评估VDMOS的电参数及抗辐射性能研发人员设计了大量的测试系统。文献[4]提出了一种以单片机为核心的参数测试仪，简单且易于实现，能满足一般的测量需求，可由于使用互感元件使得自身干扰极大，系统稳定性差且可测量不全；文献[5]介绍的A/D采样计数的辐射效应测试装置，能够实时检测计数脉冲等试验数据，但存在误采样、采样精度不够等隐患。文献[6]提出的基于矢量网络分析仪测量寄生电容的方法，其测量结电容准确性高，可对功率MOSFET的测量工作频率局限于10MHz-15MHz。此外，现有的测量系统较为分立、缺乏通用性，实际使用时需要较高的人工参与度，测量效率低，严重制约着宇航用VDMOS的准确性能评估。

基于上述，本文提出并实现了一套新的宇航用VDMOS参数测量系统，在虚拟仪器架构基础上，通过引入高DC偏置电容测量与多路复用开关技术，并结合设计的自动测量程序与测量夹具，可实现VDMOS电参数的高精度测量和抗辐射性能测试分析。该方案相比于传统测试方案具有以下特点：可测参数项覆盖全，且具备不同电参数测量模式间全自动切换、数据结果智能分析并生成报表、灵活性强且可伸缩配置等。使用该系统对自主研发的一款应用于宇航电子继电器的高压大功率VDMOS开关管电参数进行分析测量，为其在后续改进及航天系统应用方面提供依据。

1 自动测试系统设计

1.1 系统架构与硬件设计

测试系统的框架图如图1所示。通过PC机上的测量软件结合测量夹具中相应的功能模块，实现各类测量仪器输出控制、数据采集与处理以及结果的判别保存。

系统实物图如图2所示。测试系统所使用的Agilent B1505是带高电压源测量单元（HVSMU）、强电流源测量单元（HCSMU）、高功率源测量单元（HPSMU）以及多频电容测量单元（MFCMU）的分析仪[7]。其中HVSMU的测量输出范围是10 fA-8 mA/200 uV-1500 V，可以为器件的击穿电压参数测量提供漏端电压；HCSMU的驱动电流可达到20 A，因此可为测量器件的输出特性提供漏极偏置；MFCMU是测量器件寄生电容的主要模块[8]。Fluke 8808A的作用是用于器件在抗辐射试验时输出电压的监测，R&S; RTO1004示波器具备600M带宽、10Gsa/s采样率，用于开关时间的数据采集。

为了全面测试分析芯片的传输特性、阈值电压、寄生电容等特征参数在总剂量辐照前后的偏差，管芯栅氧厚度与总剂量辐照参数偏移量的关系，以及抗单粒子辐照极限工作电压值。本系统设计的测量夹具支持静态参数、寄生电容、开关时间测量与抗辐射性能评估等多种功能，四个主要功能模块如图3所示。

静态参数测量时，对于不同测量量，需要用功能不同的源测量单元对VDMOS漏极进行测量，为实现不同源测量单元之间的高效切换，测量夹具采用如图3（a）所示静态参数测量模块。测量时根据接收到的程序指令，通过虚线框中不同的模块选择器，实现高电压源测量单元、强电流源测量单元、高功率源测量单元之间的自动切换，从而使测量效率大幅提高。

器件的寄生電容测量主要依据自动电桥平衡电路来实现。针对此类高DC偏置的电容测量，在测量夹具中采用如图3（b）的模块。如图3（c）所示，在测量Cgs时，由于漏极与AC保护端连接并处于高压状态，因此利用电阻器减少多频电容测量单元对高电压源测量单元的干扰，并引入保护电容使得从漏端看到的交流保护阻抗小于源/漏极。通过引入多路复用开关技术实现寄生电容测量自动化。此外，在上述高DC偏置的电容测量中，将MFCMU四个输出接口的外屏蔽短接，为屏蔽中的感应电流建立返回路径。利用开路补偿消除电缆间及DUT与地之间的杂散电容影响，且采用短路补偿消除测量路径中的残余电感与电阻影响，极大的保证了测量精度。

开关时间的测量以及抗辐射性能评估试验主要通过如图3（d）所示的功能模块完成。开关时间测量时，SMU提供电压偏置并控制开关的状态切换，示波器捕获这一变化的过程波形及数据。评估VDMOS抗辐射能力主要包括总剂量与单粒子测验。在总剂量与单粒子测验时，偏置与监测栅极和漏极电压电流是通过源测量单元来实现，输出电压是由台表探测获得。

1.2 软件设计

为了提高软件开发效率，本测试系统的软件开发采用LabVIEW图形化编程语言。包括静态参数I-V测试、寄生电容测试、开关时间测试、抗辐射性能测量。

软件流程图如图4所示，在程序运行前选择通讯地址。程序通过GPIB、RS232、TCP/IP网络协议等通信协议并行对各设备进行初始化。自动依次选定待测量后，对所使用的仪器进行配置与数据采集。在所有测量完成后，释放软硬件资源，最后退出程序。

对于静态参数测量，根据不同I-V曲线需求，使用顺序结构程序逐一自动选择HPSMU、HCSMU、HVSMU进行组合。为了能够消除影响测量结果的器件自热效应，根据VDMOS导通电阻正温度系数特性，将施加于栅、漏极的SMU配置为同步阶梯步进脉冲输出。所采用的脉冲占空比为0.1%。测量程序采用While循环以及事件触发方式，首先执行VDMOS脉冲遍历扫点获取所有I-V曲线特性，其次使用数据处理程序对阈值电压（Vth）、漏极电流（IDSS）、栅极电流（IGSS）、导通电阻（RDS（on））、截止电压（BVDSS）等参数进行提取。

如图5所示为测量寄生电容时，其程序实现方式。在设备初始化后，软件程序将进行相位、开路和短路补偿，对仪器进行配置，使其在固定交流信号、不同直流偏置下执行测量。由自动电桥平衡以及公式（1）和公式（2）即可得实际阻抗Zdut，从而计算出寄生电容值。公式（1）中的V1、V2分别为图3（b）所示电位计Hp和锁定测量信号相位电位计Lp实际测得的电压，R2为电桥内阻；公式（2）中Zm为系统整体测得的阻抗值，Zs和Yo分别为短路补偿测得的阻抗值、开路补偿所测得的导纳值。

Z=■（1）

Zdut=■=■（2）

测量开关时间时，程序控制SMU使VDMOS处于一定工作偏置并进行开关切换，同时示波器以触发模式捕获其过程，并利用TCP/IP网络协议从示波器中取回波形数据，从中识别电压、电流变化规定值所对应的时间差值量。而对于单粒子试验，程序控制SMU设定规定偏置后，在试验过程中连续采集栅漏电流和输出电压，并实时进行数据分析，依据试验中的偏置以及栅漏电流变化识别是否发生SEB、SEGR。此外，巧妙利用顺序结构、while循环、事件触发、选择结构等使软件具备良好的人机交互能力，试验者可及时进行突发情况处理。

2 测试结果

本文利用上述所设计的测量系统，对一款BVDSS=200V的应用于宇航电子继电器的高压大功率VDMOS开关管进行测试分析，并评估芯片的性能。测试内容包括电参数、总剂量和抗辐射性能。

2.1 电参数测试

首先对VDMOS芯片进行电参数性能评估。本系统电压测量精度最高是200nV、最低是40μV，电流测量精度最高是10pA、最低是40μA。将检测数据和Verigy大型高精度自动测试机台检测得到的数据进行比较，误差小于0.45%。这表明此VDMOS芯片的电性能良好，并且本文设计的测量系统具有极高的精度。

2.2 总剂量（TID）试验

由于该VDMOS芯片是应用于航天电子继电器系统，会受到空间辐射作用，因此还须进行总剂量试验与单粒子试验以评估其抗辐射性能。

VDMOS选取ON状态（VGS=10V），使用60Coγ射线对其以剂量步进方式照射至100krad。分别在试验前、50krad、试验后三个不同时段对VDMOS的各项电参数进行测量。从图6（a）可以看出，传输特性曲线随着照射总剂量的增大逐渐向负方向偏移。阈值电压Vth也向负方向偏移，从4.251V向负方向漂移至3.383V、2.992V。这是因为栅氧中氧化物陷阱电荷通常带正电荷（oxide trapped charges），其对阈值电压的漂移起到决定性的作用。平带电压决定了界面陷阱（interface traps）的正负性。辐照后，栅氧中产生的氧化物陷阱电荷量远大于界面电荷，使阈值发生了左移。图6（b）则是栅氧厚度分别为45nm和100nm时辐射前后的传输特性变化图。由图可见，阈值的漂移程度主要取决于栅氧的厚度。在相同工艺条件下，栅氧的厚度越厚，产生的氧化物陷阱电荷越多，阈值左移的幅度就越大。器件电容特性的变化在总剂量试验前后的结果如图6（c）、（d）所示。VDS的变化对VDMOS的栅源电容Cgs影响很小，对栅漏电容Cgd影响较大，这是VDS偏压使耗尽层的大小发生变化而引起的。以上所述的总剂量试验在中国计量院完成，根据上述总剂量试验分析可看出所测的VDMOS的抗总剂量性能达标，并且本文设计的测量系统具有较高的测量效率。

2.3 单粒子（SEE）试验

采用本文设计的系统在中科院兰州近代物理研究所对同一批次的VDMOS进行单粒子性能评估。试验时VGS在三种不同的偏置电压下，即0V、-5V、-10V，在此三种偏置电压下VDS从0V递增至200V。试验结果如图7（a）所示，当VGS=0V，VDS=100V，VDS低于单粒子辐射环境VDMOS正常工作时的最高截止电压值的情况下，栅极电流和漏极电流变化很小。但是漏极电流随着VDS逐步增加而增加，当VDS=160V时，发生单粒子烧毁现象，此时漏极和栅极电流发生突变，同时试验器件上可观测到小范围区域的烧焦。产生这些现象是因为重离子的入射导致器件内部产生了电子-空穴对，在VDS偏置下这些器件内部产生的电子-空穴对分别流向源极与漏极形成电流，由于增益系数β的影响，电流被进一步放大，引起离子化现象，导致最终产生次级击穿和源漏间的短路[9]。此外如图7（b）所示，随着漏极电压的增大漏极电流也跟着增大，当器件漏极击穿产生较大短路电流时，则会引起SEB烧毁，而此时栅极电流的影响很小。

此外在栅源负压情况下产生的附加栅极电场使辐射产生的空穴积聚到器件的栅界面，并且积聚的电荷随着粒子注入的增加而增加，当最高截至电压达到栅烧毁的临界点时将会发生SEGR。因此如图8所示，在VGS分别为0V、-5V、-10V的情况下，栅极负压越大，VDMOS可正常工作的最高截止电压越低。

3 结论

本文提出并实现了一套新的宇航用VDMOS参数测量系统。使用该系统获取了一款应用于宇航电子继电器高压大功率VDMOS开关管芯片的电参数，并对其抗辐射性能进行了评估，可得VDMOS芯片的性能良好。在总剂量辐照下，该款VDMOS的阈值向负方向漂移，传输特性亦向负方向漂移，而寄生电容特性基本不变，同时阈值漂移幅度随栅氧厚度的减小而减小。在单粒子辐照下，虽然VDMOS在额定截止电压单粒子辐照下容易发生SEB以及SEGR损坏，但其抗单粒子性能也达到了较好预期。通过实际测量，表明该参数测量系统可精确、高效率的评估出VDMOS的电参数以及抗辐射性能，并为器件后续设计改版提供了强有力的数据支持。

【参考文献】

[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，张雄，吴忠.功率MOSFET参数测试仪的设计[J].电子器件，2006（4）：1058-1060.

[5]赵又新.MOSFET辐射效应测试装置的研制[J].核技术，2007，2（2）：152-156.

[6]宋清亮，晋兆国.一种高精度功率MOSFET参数测试系统[J].电力电子，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]刘小敏.航天用固态继电器智能参数检测系统设计[D]. 浙江大学硕士论文，2017.

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