基于C-V測(cè)量的最佳電容和AC阻抗測(cè)量方案

作者：泰克科技

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)置電位、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、摻雜密度和門限電壓。

C-V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 ~ 100 mV 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。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。

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。接下來將討論進(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)

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100 Ω。并聯(lián)的兩條100 Ω電纜是50 Ω，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。

使用4200A-CVIV多通道開關(guān)保護(hù)器件端子

可以使用選配的4200A-CVIV多通道開關(guān)，自動(dòng)進(jìn)行有保護(hù)的C-V測(cè)量，如圖9所示。通過CVIV，用戶可以自動(dòng)在器件的I-V（SMU）測(cè)量和C-V （CVU）測(cè)量之間切換，并把C-V保護(hù)裝置連接到DUT的任意端子上。

圖9. 4200A-CVIV多通道開關(guān)。

圖10顯示了把CVU的CVHI端子、CVLO端子和CV Guard端子通過4200A-CVIV的輸出連接到BJT的三個(gè)端子上。在這個(gè)實(shí)例中，CV Guard通過4200A-CVIV的通道3切換到BJT的集電極端子上，這樣就可以測(cè)量CVHI和CVLO之間的基極發(fā)射器電容。

圖10. 從4200A-CVIV連接到BJT，進(jìn)行有保護(hù)的測(cè)量。

Clarius軟件允許用戶自動(dòng)改變4200A-CVIV的輸出，從而可以保護(hù)器件的任意端子。圖11顯示了Clarius中的CVIV多通道開關(guān)Channel Config設(shè)置。

圖11. 在BJT上進(jìn)行基極發(fā)射器電容測(cè)量時(shí)的cviv-configure設(shè)置。

表1 提供了各種測(cè)量問題的排障方式，供參考。

表1. C-V 測(cè)量排障表

通過使用CVU 內(nèi)置測(cè)量工具、正確的線纜和連接及相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)良好的電容測(cè)量。CVU提供了許多內(nèi)置工具，包括補(bǔ)償、定時(shí)參數(shù)和置信度檢查。

泰克公司的Keithley 4200A是一臺(tái)集成化的多功能的電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。常用于微電子、物理、化學(xué)，甚至生物等學(xué)科的電學(xué)測(cè)試。可以測(cè)試的參數(shù)曲線包括直流IV（I-t/V-t）/CV/pulse IV及基于這些曲線的其他特性參數(shù)的測(cè)試。