在功率半导体(MOSFET, IGBT)的数据手册中,Vgs(th) 或 VGE(th) 往往排在静态参数的第一行。这就是阈值电压(Threshold Voltage),俗称“开启电压”。对于电路设计者来说,Vth决定了驱动电路的电压设计;对于器件制造者来说,Vth是监控栅极氧化层工艺质量的核心指标。
什么是阈值电压(Vth)?
简单来说,Vth就是让器件“刚刚导通”时,栅极(Gate)和源极(Source)之间所需的最小电压。
在物理层面,它是指栅极电压产生的电场强度足以在半导体表面吸附少子,形成导电沟道(反型层)时的临界电压。
如何准确测量Vth?
工业界最通用的测量方法是恒流模式(Constant Current Mode),即把栅极和漏极短接(Vgs = Vds),测量当漏极流过特定微小电流(通常为250μA或1mA)时的电压。
测试步骤:
- 连接电路: 将MOSFET的栅极(G)与漏极(D)短接。
- 施加电流: 从源测量单元(SMU)向漏极注入规定的参考电流 $I_{ref}$(如250μA)。
- 读取电压: 此时测得的 $V_{ds}$ 即为 $V_{th}$。
Vth的温度特性:负温度系数
这是一个经常被忽视但极其重要的特性:温度越高,Vth越低。
通常Vth的温度系数约为 -2mV/℃ 到 -5mV/℃。这意味着在高温下,器件更容易被误导通。在设计大功率并联电路时,如果热平衡设计不好,Vth较低的管子会先导通并承担更多电流,导致更热,Vth进一步降低,最终形成热失控(Thermal Runaway)。
迟滞效应 (Hysteresis)
值得注意的是,部分宽禁带器件(如SiC MOSFET)由于栅氧界面陷阱电荷的存在,Vth可能会出现迟滞现象(开启电压和关断电压不完全重合),测试时需采用特定的脉冲扫描方式以获得准确值。
总结
Vth不仅是一个开关阈值,更是反映器件栅极健康状况的晴雨表。准确测量Vth并理解其温度漂移特性,对于预防误触发和优化并联均流设计至关重要。
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