第三章 一般功率元件電性參數量測
3.3 閘極漏電流量測(Gate leakage current measurement)
3.3.1 實驗目的
量測元件在達到絕緣層崩潰電壓前所測得之電流，亦可稱為通道 漏電流(channel leakage)，為在閘極周圍所介入的絕緣層的洩極電流。
3.3.2 實驗儀器
實驗使用儀器包含 Motech DS10014 電源供應器、DMM4020 數 位萬用電錶。
3.3.3 實驗原理
實驗電路如圖3-7，將元件汲極與源極短路接地，利用電源供應 器提供電壓VG = 0~ VGmax每0.5V為一個Step，再利用電流探棒及示波 器量測閘極電流與電壓。
3.3.4 實驗結果與討論
圖 3-8 為 EPC1010 實驗結果，閘極電壓為+5V 時漏電流約為 1.776mA，而 IRF630 因閘極漏電流非常小為 nA 等級[10][11]，受限 於儀器精度，量測不到其漏電流。
3.4 阻性負載開關時間量測(Switching time test with
resistive load)
3.4.1 實驗目的
此實驗使用儀器包含 Motech DS10014 電源供應器、Tektronix TDS2014B 示波器、Tektronix TCP300 電流探棒、NF WF1945-B 合成 訊號產生器。
Duty ratio 為 0.1%，並以 IRF630 (MOSFET)與 EPC1010 (GaN HEMT) 兩組實驗做對照，附表 3-1 為元件規格。
3.4.4 IRF 630 實驗步驟
實驗電路如圖 3-9，利用電源供應器輸入 VDD = 0.5*200 = 100(V) 至2200μF 與 3.3μF 濾波電容，為使量測電流 ID = 0.5*9 = 4.5(A)，
RDS(on)由規格表 3-1 中得到為 0.4Ω，負載 RL透過式(3.1)估算約為 22Ω，
其中 RDS(on)為與溫度相關參數，且量測電路上有些許雜散電阻，因此
實際電阻則使用 20Ω，閘極輸入電壓 VG = 0.5*20 = 10(V)，閘極電阻
為4.7Ω，為使用手冊建議值，此串聯電阻可降低閘極電壓震盪，並
透過示波器與電流探棒取得實驗波形。
3.4.5 EPC1010 實驗步驟
圖 3-10 為實驗電路圖，利用電源供應器輸入 VDD = 0.5*200 = 100(V)至 2200μF 與 3.3μF 濾波電容，為使量測電流 ID = 0.5*12 = 6(A)，
負載 RL 透過式(3.1)估算約為 15Ω，其中 RDS(on)由附表 3-1 中得到為 25m Ω，閘極電壓由訊號產生器輸入，VG = 5(V)，寬度 1μs，閘極電 阻為4.7Ω，再由示波器與電流探棒測得實驗波形。
3.4.6 實驗結果與討論
圖 3-11 為實驗照片，附表 3-3 為實驗數值與資料比較表，而圖 3-10 為阻性負載切換時間的波形圖[8]，其中 tr 為上升時間(rise time)，
代表電流由零達到目標電流的時間，VDS開始下降至零；tf 為下降時 間(fall time)，即電流由目標電流下降至零，VDS開始上升至外部電源 供給電壓，根據文獻[12]這兩項量測結果會受電路雜散電感 LS與 Crss
以及 Ciss影響，其中 LS與量測電路 Layout 有關，Crss與 Ciss分別為米 勒電容(CGD)與輸入電容(CGD + CGS)，此兩電容為非線性電容與 VDS
有關，因此量測時元件的使用手冊通常定量測條件為 VDD = 0.5*BVDSS， 且此兩區間因切換時電壓與電流乘積不為零，會使切換時產生能量損 耗(Switching loss)，所以上升時間與下降時間要越小越好。 tdon則為 開啟延遲時間(turn-on delay time)，即閘極達到臨限電壓使導通電流出 現前，輸入電容的充電時間，tdoff為關閉時間(trun-off delay time)，即 電流關閉前，輸入電容的放電時間，此兩項量測值也與 Ciss有關。
圖 3-13 至圖 3-17 為 IRF630 (MOSFET)量測結果波形圖，開啟時 間 ton約為 38 ns，關閉時間 toff約為 194 ns。波形部分，VDS於關斷時 產生 Overshoot 與 Ringing 現象，推測是因為汲極寄生電感所造成，
而閘極開通時電壓上昇緩慢則是因為源極寄生電感所造成[13]，且 tdoff與使用手冊數據有誤差，推測可能因為電路汲極寄生電容影響，
使關閉時間增加。
圖 3-18 至圖 3-22 為 EPC1010 (GaN HEMT)量測結果波形圖，其 開啟時間 ton約為 104 ns，關閉時間 toff約為 86 ns，且 tdon與 tdoff分別 為 5ns 與 12ns，較 IRF630 的 12ns 與 160ns 為小，即閘極對電流的反 應時間較快，但 tr 與 tf 卻比 IRF630 高，顯示出切換時切換損較大，
圖 3-23 可看出 IRF630 與 EPC1010 在開關時間差異。而造成電流上 升時間與汲極電壓下降時間有延遲的現象是因為受到 HEMT 缺陷效
應(trapping effect)的影響，在元件表面的缺陷將載子局限住，頇經過 一段時間載子才能跳脫局限。波形中 VDS於關斷時一樣產生 Overshoot 與 Ringing 現象，但較 IRF630 緩和，顯示 EPC1010 汲極寄生電感較 IRF630 小，而閘極開通時電壓上昇速度也較 IRF630 快，因閘極所需 電量較小，閘極電量量測將在後面章節討論。