具体实施方式

<测量装置>

图1是示出测量装置的一配置例的等效电路图。本配置例的测量装置10是用于测量开关元件20的器件参数(例如内部栅极电阻Rgin和/或坪电压Vp)的装置，并且包括电压源11、电流源12、以及控制器13。测量装置10还具有外部连接到开关元件20的栅极的外部栅极电阻Rg。

开关元件20是作为测量装置10的测量对象(DUT[device under test，被测器件])的半导体开关器件，在图1中以N沟道MOS场效应晶体管M1为例进行描述。尤其优选使用在本说明书中提出的测量装置10测量器件参数的开关元件20的示例包括外部栅极电阻Rg和内部栅极电阻Rgin具有接近的值的WBG器件(例如SiC功率晶体管和GaN功率晶体管)。

如图1中等同地所示，晶体管M1在其栅极与源极之间具有栅源极寄生电容Cgs；在其栅极与漏极之间具有栅漏寄生电容Cgd；并且在其漏极与源极之间具有漏源寄生电容Cds。晶体管M1的输入电容Ciss可以给定为栅源寄生电容Cgs和栅漏寄生电容Cgd的和(＝Cgs+Cgd)。同样地，晶体管M1的输出电容Coss可以给定为漏源寄生电容Cds和栅漏寄生电容Cgd的和(＝Cds+Cgd)。

晶体管M1在其栅极还具有内部栅极电阻Rgin(包括栅指的导体电阻分量)。虽然实际上晶体管M1还随附寄生二极管和寄生电感，但为了图示的方便起见，将省略其说明和描述。

对于与开关元件20相关的相关电压和电流，Vgs表示栅源电压，Vgs(real)表示施加于栅极氧化膜上的电压(即，实际栅源电压)，Vds表示漏源电压，Id表示漏极电流，Ig表示栅极电流。

当有栅极电流Ig时，内部栅极电阻Rgin的两端上出现电压降Vdrop(＝-Ig×Rgin)，因此Vgs≠Vgs(real)。另一方面，当没有栅极电流Ig时，前述电压降Vdrop为零，因此，若忽略寄生电容，则Vgs＝Vgs(real)。

电压源11用作用于设置施加于晶体管M1的漏源电压Vds的机构。具体地，其互连关系如下。电压源11的正极端(即，用于设置电压VSET的施加端)连接到电流源12的第一端。电流源12的第二端连接到晶体管M1的漏极端子D。晶体管M1的源极端子S连接到电压源11的负极端(即，接地端GND)。因此，电压源11和电流源12相对于开关元件20串联连接。即，在图1所示的测量系统中，电压源11、电流源12以及开关元件20(即，晶体管M1)形成闭合电路。

电流源12用作用于设置在晶体管M1的导通期间流过的漏极电流Id的电流值的机构。作为电流源12，可以使用电感负载，例如线圈。在那种情况下，优选地，飞轮二极管与电流源12并联连接。

控制器13通过外部栅极电阻Rg向晶体管M1的栅极端子G施加脉动控制电压VCTRL，由此使晶体管M1导通和关断。

虽然未示出，测量装置10还包括用于测量晶体管M1的栅源电压Vgs、漏源电压Vds、漏极电流Id以及栅极电流Ig的电压表和电流表。由此，测量装置10观察晶体管M1在导通和关断过渡中至少一个期间的开关瞬态，从而测量器件参数(例如内部栅极电阻Rgin和/或坪电压Vp)。

这里，晶体管M1的开关瞬态可以理解为漏源电压Vds和漏极电流Id中的至少一个处于变化中的状态，或者栅极电流Ig正在流过的状态。

下面对使用测量装置10测量器件参数的方法(从实际开关行为导出诸如内部栅极电阻Rgin或坪电压Vp的器件参数的方法)进行详细描述。

<开关瞬态响应>

图2是示出栅源电压Vgs关断瞬态响应的开关波形图(实线：Rg＝RgL的情况，虚线：Rg＝RgM的情况，点划线：Rg＝RgH的情况，其中RgL<RgM<RgH)。

晶体管M1关断时，当漏极电流Id完成变化且漏源电压Vds(未图示)处于从低电平(≈0V)转变为高电平(≈VSET)中时，如图2所示，出现栅源电压Vgs保持恒定(或几乎恒定)的区域，即所谓的坪区域(即，实际栅源电压Vgs(real)保持等于坪电压Vp的期间)。即，在坪区域，在栅源电压Vgs和栅极电流Ig保持恒定时，唯独漏源电压Vds保持变化。

如上所述，在坪区域中，基本上栅极电流Ig和漏极电流Id都恒定。从而，分别伴随晶体管M1的栅极和源极的电感分量可以被忽略。

测量装置10能够测量作为栅源电压Vgs的不仅仅是施加于晶体管Ml的栅极氧化膜的实际栅源电压Vgs(real)，而是还包括产生在内部栅极电阻Rgin上的电压降Vdrop(＝Ig×Rgin)的电压值(Vgs＝Vgs(real)+Vdrop)。

由于晶体管M1的坪电压Vp和内部栅极电阻Rgin都保持在固定值，坪区域的栅极电流Ig(即.，-Vp/(Rg+Rgin))是根据外部栅极电阻Rg(进而是晶体管M1的开关速度)唯一地确定的。另一方面，出现在内部栅极电阻Rgin两端上的电压降Vdrop取决于坪区域的栅极电流Ig。从而，坪区域中的栅源电压Vgs(＝Vp+Vdrop)根据外部栅极电阻Rg而变化。

具体地，外部栅极电阻Rg越低(即，晶体管M1的开关速度越快)，栅极电流Ig越大，因此电压降Vdrop的绝对值越大，从而导致坪区域中的栅源电压Vgs下降。反过来说，外部栅极电阻Rg越大(即，晶体管M1的开关速度越慢)，栅极电流Ig越低，因此电压降Vdrop越小，从而导致坪区域中的栅源电压Vgs升高。

在外部栅极电阻Rg(进而栅极电流Ig)恒定的情况下，电压降Vdrop(＝Ig×Rgin)的绝对值是根据晶体管M1的内部栅极电阻Rgin而确定的。从而，通过测量坪区域中的栅源电压Vgs(进而电压降Vdrop)，可以导出内部栅极电阻Rgin。

虽然以上讨论的是在晶体管M1关断时测量栅源电压Vgs的示例，但也可以例如在晶体管M1导通时测量栅源电压Vgs。然而需要注意的是，当晶体管M1导通时，与关断时相比，开关瞬态(坪区域)的栅源电压Vgs上的噪声倾向于较大，这在测量精度方面可能是不利的。

在下面的描述中，通过多种实例对导出器件参数(例如内部栅极电阻Rgin或坪电压Vp)的新方法进行详细描述。

<器件参数的导出方法(第一导出例)>

图3是示出器件参数的第一导出例的流程图。首先，在步骤S11中，对表示已测量次数的变量k进行初始化(例如为k＝1)。

接着，在步骤S12中，将外部栅极电阻Rg设置为设定值Rg(k)。

之后，在步骤S13，测量晶体管Ml在其开关瞬态(例如，在关断过渡期间的坪区域中)的栅源电压Vgs以获得测量值Vgs(k)。为了内部栅极电阻Rgi的更高的测量精度，例如，优选地，多次测量坪区域中的栅源电压Vgs并计算平均值作为最终测量值。

接着，在步骤S14中，检查变量k是否等于预定值m(其中m为3以上的整数)。如果步骤S14的结果为“是”，则操作流程进入步骤S15。相反，如果步骤S14的结果为“否”，则使变量k按1递增，并且操作流程返回到步骤S12。

因此，步骤S11至S14是通过这些步骤在m个设定值Rg(1)至Rg(m)之间切换(其中Rg(1)≠Rg(2)≠Rg(m))晶体管M1的外部栅极电阻Rg的同时，反复测量开关瞬态下的栅源电压Vgs，以依次获得m个测量值Vgs(1)～Vgs(m)的步骤。

如果步骤S14的结果为“是”，则在步骤S15中使用m组外部栅极电阻Rg(1)～Rg(m)和栅源电压Vgs(1)～Vgs(m)进行方程X：Vgs(k)＝Rg(k)/(Rg(k)+Rgin)×Vp的拟合以导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。

这里，方程X是通过将Ig＝Vp/(Rg+Rgin)代入关系方程Vdrop＝Vgs-Vp＝-Ig×Rgin而得到的。

图4是示出步骤S15中的拟合例的图(Rg-Vgs相关图)。图中黑点表示m个测量数据D1～Dm(图中共6个数据D1(Rg(1)，Vgs(1))、D2(Rg(2)，Vgs(2))、D3(Rg(3)，Vgs(3))、D4(Rg(4)，Vgs(4))、D5(Rg(5)，Vgs(5))、以及D6(Rg(6)，Vgs(6)))。图中虚线表示方程X拟合后的曲线。

例如，在步骤S15的拟合中，可以以使m个测量数据D1～Dm与方程X的偏差最小的方式分别计算出包含在方程X中的内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp的最优解。

如上所述，采用该方法，通过方程X的拟合导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp，因此基于至少三个测量数据导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。因此，可以准确地导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。

<器件参数的导出方法(第二导出例)>

图5是示出器件参数的第二导出例的流程图。通过该导出例中的步骤S11～S14，如同第一导出例(图3)，在m个设定值Rg(1)～Rg(m)之间切换(其中Rg(1)≠Rg(2)≠Rg(m))晶体管M1的外部栅极电阻Rg的同时，反复测量开关瞬态下的栅源电压Vgs，以依次获得m个测量值Vgs(1)～Vgs(m)。

如果步骤S14的结果为“是”，则在步骤S16中使用m组的外部栅极电阻Rg(1)～Rg(m)和栅源电压Vgs(1)～Vgs(m)进行方程X：1/Vgs(k)＝(Rgin/Vp)×(1/Rg(k))+(1/Vp)的拟合，以将1/Vgs(k)表示为1/Rg(k)的一次函数(1/Vgs(k)＝α×(1/Rg(k))+β)(其中，梯度α＝Rgin/Vp，截距β＝1/Vp)。

这里，方程X’是通过重新排列先前给出的方程X而得到的。

之后，在步骤S17中，从上述一次函数的截距β(＝1/Vp)导出坪电压Vp。

然后，在步骤S18中，从上述一次函数的梯度α(＝Rgin/Vp)和在步骤S17中导出的坪电压Vp导出内部栅极电阻Rgin。

图6是示出1/Rg与1/Vgs之间的关系的图(1/Rg-1/Vgs相关图)。图中的圆形和三角形标记分别表示对于Id＝10A及20A的情况的m个测量数据D1～Dm(其中，例如，m＝6)。点划线和虚线分别表示对于相同的情况的经拟合的方程X’(一次函数)的直线。

在步骤S16的拟合中，例如，可以以使m个测量数据D1～Dm与方程X'的偏差最小的方式分别计算一次函数的梯度α和截距β的最优解。

如上所述，采用该方法，通过方程X'的拟合，将1/Vgs(k)表示为1/Rg的一次函数(1/Vgs(k)＝α×(1/Rg(k))+β)1/Rg，并由其梯度α和截距β导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。因此，如同先前描述的第一导出例，基于至少三个测量数据来导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。因此可以准确地导出内部栅极电阻Rgin和坪电压Vp。

<器件参数的导出方法(第三导出例)>

图7是示出器件参数的第三导出例的流程图。首先，在步骤S21中，将外部栅极电阻Rg设置为第一设定值Rg1。

之后，在步骤S22中，测量晶体管M1在其开关瞬态(例如，在关断过渡期间的坪区域中)的栅源电压Vgs以获得第一测量值Vgs1。

接着，在步骤S23中，将外部栅极电阻Rg设置为第二设定值Rg2(≠Rg1)。

之后，在步骤S24中，如同上述步骤S22，测量晶体管M1在其开关瞬态(例如，在关断过渡期间的坪区域)的栅源电压Vgs以获得第二测量值Vgs2。

最后，在步骤S25中，求解方程Y1：Rgin＝(Vgs1-Vgs2)×Rg1×Rg2/(Rg1×Vgs2-Rg2×Vgs1)以导出内部栅极电阻Rgin。

这里，方程Y1是通过将(Rg1，Vgs1)和(Rg2，Vgs2)分别代入先前给出的方程X以消除坪电压Vp的项而得到的。

相反地，消除先前给出的方程X中的内部栅极电阻Rgin的项可得出方程Y2：Vp＝(Rg1-Rg2)×Vgs1×Vgs2/(Rg1×Vgs2-Rg2×Vgs1)，因而可以导出坪电压Vp。

如前面提到的图2所示，外部栅极电阻Rg越大，开关瞬态下的栅源电压Vgs保持恒定的期间越长。从而，为了容易测量栅源电压Vgs，优选地，第一设定值Rg1和第二设定值Rg2尽可能大。然而，同时加大第一设定值Rg1和第二设定值Rg2导致其之间的差异较小，致使测量变动的影响增加。因此，在第三导出例中，将外部栅极电阻Rg设置为适当的设置值至关重要。

<器件参数的导出方法(第四导出例)>

图8是示出器件参数的第四导出例的流程图。首先，在步骤S31中，导出晶体管M1的坪电压Vp。

坪电压Vp可以通过任意已知的方法导出，因此在这方面将省略详细描述。例如，可以基于方程Vp＝[(Vg,off×Ig,on)-(Vgs,on×Ig,off)]/(Ig,on–Ig,off)，从在晶体管M1的导通和关断过渡期间分别测量的栅源电压Vgs,on和Vgs,off与在晶体管M1的导通和关断过渡期间分别测量的栅极电流Ig,on和Ig,off的比值导出坪电压Vp。

图9是示出晶体管M1的Id-Vgs响应之间的关系的图(圆形标记：Vds＝Vds1的情况，三角形标记：Vds＝Vds2的情况，方形标记：Vds＝Vds3的情况，其中Vds1<Vds2<Vds3)和坪电压V。只要Vgs<Vp，与漏源电压Vds无关地，晶体管M1的Id-Vgs响应相同。

返回图8，继续描述操作流程。在步骤S32中，设置外部栅极电阻Rg，并在步骤S33中测量晶体管M1在其开关瞬态(例如，在关断过渡期间的坪区域)的栅源电压Vgs。

最后，在步骤S34中，求解方程Z：Rgin＝Rg×(Vp-Vgs)/Vgs以导出内部栅极电阻Rgin。这里，方程Z是通过重新排列先前给出的方程X而得到的。

<电压变化区域中的电流变动>

图10是示出漏极电流Id在漏源电压Vds变化的区域中如何变动(这里为导通瞬态响应)的图。图中，实线表示漏源电压Vds，虚线表示漏极电流Id，点划线表示栅源电压Vgs。

本质上，在晶体管M1的开关瞬态下，在漏极电流Id完成变化后，漏源电压Vds才开始变化。即，当在漏源电压Vds变化的区域中测量栅源电压Vgs时，漏极电流Id应恒定。

然而，实际上，在漏源电压Vds变化的区域中，有输出电容Coss的充放电电流流过，致使漏极电流Id发生变动。

虽然图10示出晶体管Ml的导通瞬态响应，但在晶体管Ml关断时，漏极电流Id也可能在漏源电压Vds变化的区域中发生变动。

漏极电流Id的这种变动对栅源电压Vgs的测量产生不利影响，并且可能导致器件参数(例如内部栅极电阻Rgin和/或坪电压Vp)的导出精度下降。下面对该问题进行研究。

<开关元件(四引脚器件)>

图11是示出四引脚器件的连接例的图。该图中，作为测量装置10的测量对象，连接有具有四引脚封装(参见图中气球内部)的开关元件20a。具体地，除了通常具有的栅极端子G、漏极端子D以及源极端子S外，开关元件20a还具有用于栅极驱动的第二源极端子SS(即，仅连接到控制器13而未连接到电压源11的负极端的源极感测端子)。

以这样的四引脚器件为测量对象，伴随源极端子S的电感分量不会影响测量。从而，即使为了讨论的目的而假设漏极电流Id在漏源电压Vds变化的区域中发生变动，仍可通过先前描述的导出方法准确地导出晶体管M1的器件参数。

<开关元件(三引脚器件)>

图12是示出三引脚器件的连接例的图。该图中，作为测量装置10的测量对象，连接有具有公共三引脚封装(参见图中的气球内部)的开关元件20b。具体地，开关元件20b具有通常具有的栅极端子G、漏极端子D、以及源极端子S，而不具有如前所述的第二源极端子SS(图11)。

以这样的三引脚器件为测量对象，伴随源极端子S的电感分量不会影响测量。具体地，当漏极电流Id在漏源电压Vds变化的区域中发生变动时，伴随源极端子S的电感分量L上出现感应电压(L×dId/dt)。这会影响栅源电压Vgs的测量结果，使得无法准确导出晶体管M1的器件参数。

从而，以三引脚器件为测量对象，优选添加测量晶体管M1的漏极电流Id的步骤，基于该测量结果，消除伴随源极端子的电感分量L的影响。具体地，可以从漏极电流Id的变化量和伴随源极端子S的电感分量L计算要消除的量。

避免上述问题的一种方式是将外部栅极电阻Rg设置为较高值来进行测量，以使寄生电容的充放电电流最小化。然而，在这种情况下，响应于外部栅极电阻Rg的变化，栅极电流Ig呈现出缓慢的变化，而必须考虑到这会导致比预期的测量精度低。

<器件模型的创建方法>

在创建晶体管M1的器件模型时，可以使通过上述测量方法测量的内部栅极电阻Rgin和/或坪电压Vp参数化并包括在器件模型的等效电路的描述中。这样，可以在模拟中忠实地再现晶体管M1的行为，进而提高模拟的精确度。

<IGBT中的应用>

虽然上述实施例中述及测量对象为MOSFET的示例，但这并不意味着将测量对象限制于任何特定类型的器件；测量对象例如可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)。

在那种情况下，对于以上描述中与晶体管M1相关的端子、电压和电流的名称，“源极”可以读为“发射极”，“漏极”可以读为“集电极”。

然而需要说明的是，与MOSFET相比，IGBT具有更大的芯片面积和更低的内部栅极电阻Rgin，这使得测量更加困难。IGBT也需要用于输出电容Coss的更高的充放电电流，因而预计会使三引脚器件的测量困难。

<其他变形例>

本说明书中公开的各种技术特征可以以不同于上述实施例的任意其他方式实现，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下实施多种变更。即，上面描述的实施例应被理解为在每个方面都是示例性的而不是限制性的。本发明的技术范围不由上述实施例的描述限定，而是由所附权利要求书限定，并且应被理解为包含在等同于权利要求书的意义和范围内进行的任意的变更。

工业实用性

根据本说明书中公开的器件参数的测量方法可以用于创建基于宽带隙半导体的开关器件(例如SiC功率晶体管和GaN功率晶体管)的器件模型。

附图标记列表

10 测量装置

11 电压源

12 电流源

13 控制器

20、20a、20b 开关元件

Cds 漏源寄生电容

Cgs 栅源寄生电容

Cgd 栅漏寄生电容

D 漏极端子

G 栅极端子

M1 N沟道MOS场效应晶体管

Rg 外部栅极电阻

Rgin 内部栅极电阻

S 源极端子(第一源极端子)

SS 源极感测端子(第二源极端子)。