Badania właściwości tranzystora Z-FET MOSFET wykonanego z węglika krzemu CMF20120D firmy CREE

fot. CREE

W artykule przedstawiono wyniki badań tranzystora CMF20120D wykonanego z węglika krzemu w standardowym teście dwupulsowym. Na podstawie zarejestrowanych pomiarów metodą oscyloskopową sporządzono szereg charakterystyk pokazujących możliwości i zastosowania jak również weryfikacji parametrów podanych przez producenta.

Węglik krzemu (SiC), znany także pod nazwami karborund i moissanit (nazwy nadane przez francuskiego naukowca dr. Henriego Moissana, który jako pierwszy zidentyfikował SiC w 1905 roku). Ten materiał  jest ciałem stałym złożonym w 50% z węgla i w 50% z krzemu. Węglik krzemu ze względu na swoje parametry i właściwości znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, ale głównym obszarem zastosowania jest elektronika. Węglik krzemu posiada ponad dwieście politypów z których tylko dwa znajdują zastosowanie przy produkcji elementów półprzewodnikowych. Tymi politypami są: 4H-SIC i 6H-SIC [1], [7]. Węglik krzemu przy produkcji jako półprzewodnik jest na etapie badań oraz wczesnej seryjnej produkcji. Pierwszym półprzewodnikiem z SiC była dioda Schottky’ego. W 2008 roku na rynku pojawił się tranzystor JFET na napięcie blokowania 1200V a trzy lata później MOSFET o takim samym napięciu. W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczą tranzystora Z-FET MOSFET CMF2012D firmy CREE [5], którego główne parametry przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Główne parametry badanego tranzystora:

Napięcie VDS [V]	Prąd ID (25oC/100oC) [A]	Rezystancja RDS(ON) (25oC) [mΩ]
1200	42/24	80

Obecnie w Polsce realizowany jest projekt badawczy (National Polish Silicon Carbide Project) [9], którego zadaniem jest opracowanie technologii produkcji monokryształów 4H-SIC i 6H-SIC, jak również możliwości produkcji przyrządów z SiC. W skład grup badawczych realizujących projekt wchodzą jednostki badawczo-rozwojowe, oraz uczelnie wyższe.

Test dwupulsowy

Test dwupulsowy [2], [3], [4] służy do badania dynamicznych stanów tranzystora w układzie, który przedstawia rysunek 1. Ideą tego testu jest wygenerowanie kolejno dwóch impulsów o odpowiednich czasach trwania.

Podczas pierwszego – dłuższego – impulsu załączany jest badany tranzystor (D.U.T.) (ang. device under test) na taki czas t1, aby prąd w cewce L1 osiągną żądaną wartość, tzn. wartość prądu I_D (drain current), przy którym będą rejestrowane dynamiczne stany tranzystora w czasie trwania drugiego – krótszego - impulsu t2. Obrazuje to rysunek 2.

Generacja czasów trwania impulsów zrealizowana została w układzie programowalnym Cyclone I EP1C3T144C8N na płycie bazowej EBVfpga firmy PROPOX. Program został opracowany w taki sposób, aby była możliwość regulacji czasu trwania pierwszego impulsu co dawało możliwość kontroli nad maksymalną wartością prądu płynącego przez tranzystor jak również było niezbędne do wyznaczenia wybranych charakterystyk. Brak kontroli prądu skutkował by uszkodzeniem samego tranzystora lub przyrządu pomiarowego jakim jest sonda prądowa.

Rys. 1. Schemat układu do badania tranzystora podczas testu dwupulsowego

Rys. 2. Przebiegi oscyloskopowe prądu drenu I_D i napięcia dren-źródło U_DS w teście dwupulsowym.

Stromość narastania prądu tranzystora określa zależność:

(1)

Maksymalna wartość czasu trwania pierwszego impulsu wynosiła 40µs, co wynikało z równania (1). Aktualny czas trwania pierwszego impulsu wyświetlany był na wyświetlaczu LCD2x16 sterowanym przez układ programowalny, natomiast czas trwania drugiego impulsu wynosił 600ns. W tym czasie możliwe było zarejestrowanie trwania stanów dynamicznych badanego tranzystora na ekranie oscyloskopu.

Przyrządy pomiarowe

Ze względu na bardzo krótkie rejestrowane czasy rzędu kilkudziesięciu nanosekund podczas badania tranzystora metodą oscyloskopową, konieczne było zastosowanie odpowiednich sond pomiarowych. Tymi sondami były: sonda napięciowa firmy Tektronix typu P5102 o paśmie przenoszenia 100MHz 10x 1000V, oraz typu P6139B o pasmie przenoszenia 500MHz, 10x, 300V i sonda prądowa również tej samej firmy typu TCP0030 o pasmie przenoszenia 120MHz, prądzie maksymalnym RMS 30A (peak 50A). Wszystkie pomiary i rejestracje wykonywano przy pomocy oscyloskopu firmy Tektronix model DPO7254 o parametrach 2.5GHz 40GS/s. Na rysunku 3 pokazano przebiegi prądu I_D badanego tranzystora dla dwóch różnych pomiarowych sond prądowych. Opóźnienie rzędu 20ns jakie wprowadzała sonda A6302, w efekcie wąskiego pasma przenoszenia, uniemożliwiało przeprowadzenie precyzyjnych pomiarów oscyloskopowych.

Rys. 3. Przebiegi prądu drenu I_D i napięcia dren-źródło U_DS dla dwóch różnych sond prądowych.