C-V測量

各種各樣的應用通常要在許多類型的器件上執(zhí)行電容-電壓(C-V) 和AC阻抗測量。例如，C-V 測量用來確定以下器件參數(shù)：

- MOSCAPs的柵極氧化物電容

- MOSFET輸入和輸出電容

- 太陽能電池的內(nèi)建電場

- 二極管的多數(shù)載流子濃度

- BJT端子間的電容

- MIS電容器的氧化物厚度、摻雜密度和閥值電壓

此前我們介紹了使用最新4215-CVU輕松測量飛法電容，這次聊聊怎樣使用適當?shù)臏y量技術和CVU電容電壓單元進行最優(yōu)的電容測量。

4215-CVU和4210-CVU都是適用于4200A-SCS參數(shù)分析儀的多頻(1 kHz ~ 10 MHz) AC阻抗測量模塊( 參見圖1)，讓用戶能夠輕松進行C-V 測量。這兩種CVU 之間的差異在于測試頻率數(shù)量和AC驅(qū)動電壓。4215-CVU擁有10,000個不同頻率，分辨率為1 kHz；4210-CVU擁有37個不同頻率。4215-CVU的AC驅(qū)動電壓范圍是10 mV ~ 1 V rms，4210-CVU的AC驅(qū)動電壓范圍是10 mV ~ 100mV rms。

圖1. 4200A-SCS 參數(shù)分析儀

CVUs采用獨特的電路設計，通過Clarius軟件控制，支持多種特性和診斷工具，確保測量結果的準確度達到最高。CVU擁有多種內(nèi)置工具，如實時測量模式、開路/ 短路補償、參數(shù)提取生成器、濾波、定時控制，并能夠在軟件中切換AC電流表端子。除這些工具外，它還采用適當?shù)木€纜和C-V測量技術，用戶可以進行高度靈敏的電容測量。

CVU測量概述

圖2是簡化的4210-CVU和4215-CVU模型。器件的電容通過提供AC電壓，測量AC電流和相位來確定，同時在器件中應用或掃描DC電壓。

圖2. 簡化的CVU圖

時域AC值被處理到頻域中，生成相量形式的阻抗。我們可以使用下面的公式，從AC阻抗和測試頻率中計算出器件電容：

CVU使用自動平衡電橋(ABB) 方法測量電容。ABB用來抵消DUT 一個端子( 如果AC電流表在LCUR上則為LPOT) 上已知頻率的AC信號，以警戒雜散阻抗。這個AC接地會把CVU的LPOT保持在0 VAC，這樣測試電路中的所有AC電流都會流到AC電流表，而不會經(jīng)過測試電路中的任何并聯(lián)電容。

根據(jù)測試設置，包括頻率、AC驅(qū)動電壓和電流范圍，CVU可以測量皮法級到毫法級電容。用戶指定的測試范圍取決于被測器件和導出的參數(shù)。測試頻率范圍為 1kHz~10MHz。DC 偏置功能是 ±30V(60V差分 )。

測量模型和參數(shù)

DUT測量的典型模型通常是一條串聯(lián)或并聯(lián)電阻電容(RC) 電路。如圖3中簡化的模型所示，CVU既可以作為串聯(lián)配置(RSCS) 測量DUT，也可以作為并聯(lián)配置(RPCP) 測量DUT。

圖3. 簡化的測量模型

CVU可以測量和顯示以下參數(shù)：

阻抗和相位角(Z,Theta)

電阻和電抗 (R+jX)

并聯(lián)電容和電導(CP-GP)

串聯(lián)電容和電阻(CS-RS)

并聯(lián)電容和雜散因子 (CP-D)

串聯(lián)電容和雜散因子(CS-D)

導納和相位角(Y,theta)

圖4. 阻抗的矢量圖

通過使用Clarius內(nèi)置的Formulator工具，還可以從測得的數(shù)據(jù)中簡便地提取其他參數(shù)，如電感。圖4中的阻抗矢量圖顯示了阻抗的基礎公式。

AC阻抗測量系統(tǒng)

如圖5所示，C-V測量系統(tǒng)可能會相當復雜，因為配置中包括測量儀器和軟件、信號路徑線藍、測試夾具和器件。為進行最優(yōu)測量，必需相應設置CVU的測試設置和定時參數(shù)。必須使用適當?shù)木€纜、探頭和測試夾具，然后必須執(zhí)行連接補償。最后，器件本身可能會導致測量問題。下面幾節(jié)將討論進行良好的電容測量需要考慮的硬件和軟件。

圖5. C-V測量系統(tǒng)

線纜和連接

本節(jié)介紹了怎樣使用適當?shù)木€纜和連接，怎樣保護卡盤和器件端子，以及怎樣配置AC電流表端子。

適當?shù)木€纜

為獲得最好的測量結果，應只使用隨機自帶的紅色SMA電纜連接到CVU。隨機自帶的附件如下：

●  4條CA-447A SMA到SMA 1.5米電纜(紅色）

●  4條CS-1247 SMA到BNC轉(zhuǎn)接頭

●  2條CS-701A BNC T形裝置

●  1個扭矩扳手，用來緊固SMA電纜連接

圖6. 2線傳感的CVU連接圖

隨機自帶的附件可以通過BNC或SMA連接，來連接測試夾具或探頭。圖6顯示了CVU以及為2線傳感配置的隨機自帶的附件。CS-1247 SMA到BNC轉(zhuǎn)接頭連接到每條CA-447A SMA到SMA電纜。HCUR和HPOT端子通過CS-701A BNC T形裝置連接，構成CVH；LCUR和LPOT連接在一起，構成CVL。使用隨機自帶的扭矩扳手，緊固SMA電纜連接，確保接觸良好。紅色SMA電纜為100Ω。并聯(lián)的兩條100Ω電纜是50Ω，這是高頻源測量應用的標準配置。

圖7. 從CVU正確連接到DUT

圖7是DUT 4線傳感實例。在本例中，HCUR和HPOT端子連接到器件的一端，LPOT和LCUR端子連接到器件的另一端。為了改善帶寬，我們把同軸電纜的外部屏蔽層連接到金屬測試夾具上。我們使用到器件的4線連接，通過盡可能靠近器件傳感電壓，來簡化靈敏的測量。

四條同軸電纜每條電纜的外部屏蔽層必須盡可能近地連接到器件上，以使屏蔽層的環(huán)路面積達到最小。同軸電纜的外部屏蔽層還應連接到金屬測試夾具上，以降低來自外部源的噪聲和耦合。這降低了電感，有助于降低諧振效應，這種效應在1MHz以上的頻率時可能會帶來負擔。

圖8. 連接兩個控制裝置公共部分的接地跳線

圖8是連接兩個探頭電纜組件公共部分的跳線。吉時利儀器公司擁有一系列4210-MMPC多測量電纜套件，適用于各種探頭，可以實現(xiàn)各種控制裝置的常用連接。