C-V測(cè)量
各種各樣的應(yīng)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(cè)量。例如，C-V 測(cè)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(chǎng)
- 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(cè)量飛法電容，這次聊聊怎樣使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)和CVU電容電壓?jiǎn)卧M(jìn)行最優(yōu)的電容測(cè)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(cè)量模塊( 參見圖1)，讓用戶能夠輕松進(jìn)行C-V 測(cè)量。這兩種CVU 之間的差異在于測(cè)試頻率數(shù)量和AC驅(qū)動(dòng)電壓。4215-CVU擁有10,000個(gè)不同頻率，分辨率為1 kHz；4210-CVU擁有37個(gè)不同頻率。4215-CVU的AC驅(qū)動(dòng)電壓范圍是10 mV ~ 1 V rms，4210-CVU的AC驅(qū)動(dòng)電壓范圍是10 mV ~ 100mV rms。
圖1. 4200A-SCS 參數(shù)分析儀
CVUs采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，通過Clarius軟件控制，支持多種特性和診斷工具，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到最高。CVU擁有多種內(nèi)置工具，如實(shí)時(shí)測(cè)量模式、開路/ 短路補(bǔ)償、參數(shù)提取生成器、濾波、定時(shí)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(dāng)?shù)木€纜和C-V測(cè)量技術(shù)，用戶可以進(jìn)行高度靈敏的電容測(cè)量。
CVU測(cè)量概述
圖2是簡(jiǎn)化的4210-CVU和4215-CVU模型。器件的電容通過提供AC電壓，測(cè)量AC電流和相位來確定，同時(shí)在器件中應(yīng)用或掃描DC電壓。
圖2. 簡(jiǎn)化的CVU圖
時(shí)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(cè)試頻率中計(jì)算出器件電容：
CVU使用自動(dòng)平衡電橋(ABB) 方法測(cè)量電容。ABB用來抵消DUT 一個(gè)端子( 如果AC電流表在LCUR上則為L(zhǎng)POT) 上已知頻率的AC信號(hào)，以警戒雜散阻抗。這個(gè)AC接地會(huì)把CVU的LPOT保持在0 VAC，這樣測(cè)試電路中的所有AC電流都會(huì)流到AC電流表，而不會(huì)經(jīng)過測(cè)試電路中的任何并聯(lián)電容。
根據(jù)測(cè)試設(shè)置，包括頻率、AC驅(qū)動(dòng)電壓和電流范圍，CVU可以測(cè)量皮法級(jí)到毫法級(jí)電容。用戶指定的測(cè)試范圍取決于被測(cè)器件和導(dǎo)出的參數(shù)。測(cè)試頻率范圍為 1kHz~10MHz。DC 偏置功能是 ±30V(60V差分 )。
測(cè)量模型和參數(shù)
DUT測(cè)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(jiǎn)化的模型所示，CVU既可以作為串聯(lián)配置(RSCS) 測(cè)量DUT，也可以作為并聯(lián)配置(RPCP) 測(cè)量DUT。
圖3. 簡(jiǎn)化的測(cè)量模型
CVU可以測(cè)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(dǎo)(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(dǎo)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(cè)得的數(shù)據(jù)中簡(jiǎn)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(chǔ)公式。
AC阻抗測(cè)量系統(tǒng)
如圖5所示，C-V測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)榕渲弥邪y(cè)量?jī)x器和軟件、信號(hào)路徑線藍(lán)、測(cè)試夾具和器件。為進(jìn)行最優(yōu)測(cè)量，必需相應(yīng)設(shè)置CVU的測(cè)試設(shè)置和定時(shí)參數(shù)。必須使用適當(dāng)?shù)木€纜、探頭和測(cè)試夾具，然后必須執(zhí)行連接補(bǔ)償。最后，器件本身可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量問題。下面幾節(jié)將討論進(jìn)行良好的電容測(cè)量需要考慮的硬件和軟件。
圖5. C-V測(cè)量系統(tǒng)
線纜和連接
本節(jié)介紹了怎樣使用適當(dāng)?shù)木€纜和連接，怎樣保護(hù)卡盤和器件端子，以及怎樣配置AC電流表端子。
適當(dāng)?shù)木€纜
為獲得最好的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)只使用隨機(jī)自帶的紅色SMA電纜連接到CVU。隨機(jī)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(gè)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(jī)自帶的附件可以通過BNC或SMA連接，來連接測(cè)試夾具或探頭。圖6顯示了CVU以及為2線傳感配置的隨機(jī)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(gòu)成CVH；LCUR和LPOT連接在一起，構(gòu)成CVL。使用隨機(jī)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(cè)量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置。
圖7. 從CVU正確連接到DUT
圖7是DUT 4線傳感實(shí)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(cè)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(jiǎn)化靈敏的測(cè)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(dá)到最小。同軸電纜的外部屏蔽層還應(yīng)連接到金屬測(cè)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(yīng)，這種效應(yīng)在1MHz以上的頻率時(shí)可能會(huì)帶來負(fù)擔(dān)。
圖8. 連接兩個(gè)控制裝置公共部分的接地跳線
圖8是連接兩個(gè)探頭電纜組件公共部分的跳線。吉時(shí)利儀器公司擁有一系列4210-MMPC多測(cè)量電纜套件，適用于各種探頭，可以實(shí)現(xiàn)各種控制裝置的常用連接。
