2020年08月17日 | 使用4200A-SCS参数分析仪进行最佳电容和AC阻抗测量

各种各样的应用通常要在许多类型的器件上执行电容 - 电压(C-V)和 AC 阻抗测量。例如，C-V 测量用来确定以下器件参数：MOSCAPs 的栅极氧化物电容、MOSFET 输入和输出电容、太阳能电池的内置电位、二极管的多数载流子浓度、BJT 端子间的电容、MIS 电容器的氧化物厚度、掺杂密度和门限电压。

C-V 测量

4215-CVU 和 4210-CVU 都是适用于 4200A-SCS 参数分析仪的多频(1 kHz ~ 10 MHz) AC 阻抗测量模块(参见图 1)，让用户能够轻松进行 C-V 测量。这两种 CVU 之间的差异在于测试频率数量和 AC 驱动电压。4215-CVU 拥有 10,000 个不同频率，分辨率为 1 kHz；4210-CVU 拥有 37 个不同频率。4215-CVU 的 AC 驱动电压范围是 10 mV ~ 1 V rms，4210-CVU 的 AC 驱动电压范围是 10 mV ~ 100 mV rms。

图 1. 4200A-SCS 参数分析仪。

CVUs 采用独特的电路设计，通过 Clarius 软件控制，支持多种特性和诊断工具，确保测量结果的准确度达到最高。CVU 拥有多种内置工具，如实时测量模式、开路、短路补偿、参数提取生成器、滤波、定时控制，并能够在软件中切换 AC 电流表端子。除外，它还采用适当的线缆和 C-V 测量技术，用户可以进行高度灵敏的电容测量。

CVU 测量概述

图 2 是简化的 4210-CVU 和 4215-CVU 模型。器件的电容通过提供 AC 电压，测量 AC 电流和相位来确定，同时在器件中应用或扫描 DC 电压。

图 2. 简化的 CVU 图

时域 AC 值被处理到频域中，生成相量形式的阻抗。CVU 使用自动平衡电桥(ABB) 方法测量电容。ABB 用来抵消 DUT 一个端子( 如果 AC 电流表在 LCUR 上则为 LPOT) 上已知频率的 AC 信号，以警戒杂散阻抗。这个 AC 接地会把 CVU 的 LPOT 保持在 0 VAC，这样测试电路中的所有 AC 电流都会流到 AC 电流表，而不会经过测试电路中的任何并联电容。

根据测试设置，包括频率、AC 驱动电压和电流范围，CVU 可以测量皮法级到毫法级电容。用户指定的测试范围取决于被测器件和导出的参数。测试频率范围为 1kHz~10MHz。DC 偏置功能是 ±30V(60V 差分 )。

测量模型和参数

DUT 测量的典型模型通常是一条串联或并联电阻电容(RC) 电路。如图 3 中简化的模型所示，CVU 既可以作为串联配置(RSCS) 测量 DUT，也可以作为并联配置(RPCP) 测量 DUT。

图 3. 简化的测量模型

CVU 可以测量和显示以下参数：阻抗和相位角(Z,Theta)，电阻和电抗 (R+jX)，并联电容和电导(CP-GP)，串联电容和电阻(CS-RS)，并联电容和杂散因子 (CP-D)，串联电容和杂散因子(CS-D)，导纳和相位角(Y,theta)。

图 4. 阻抗的矢量图

通过使用 Clarius 内置的 Formulator 工具，还可以从测得的数据中简便地提取其他参数，如电感。图 4 中的阻抗矢量图显示了阻抗的基础公式。

如图 5 所示，C-V 测量系统可能会相当复杂，因为配置中包括测量仪器和软件、信号路径线蓝、测试夹具和器件。为进行最优测量，必需相应设置 CVU 的测试设置和定时参数。必须使用适当的线缆、探头和测试夹具，然后必须执行连接补偿。最后，器件本身可能会导致测量问题。接下来将讨论进行良好的电容测量需要考虑的硬件和软件。

图 5. C-V 测量系统

适当的线缆

为获得最好的测量结果，应只使用随机自带的红色 SMA 电缆连接到 CVU。随机自带的附件如下：4 条 CA-447A SMA 到 SMA 1.5 米电缆(红色)、4 条 CS-1247 SMA 到 BNC 转接头、2 条 CS-701A BNC T 形装置、1 个扭矩扳手（用来紧固 SMA 电缆连接）。

图 6. 2 线传感的 CVU 连接图

随机自带的附件可以通过 BNC 或 SMA 连接，来连接测试夹具或探头。图 6 显示了 CVU 以及为 2 线传感配置的随机自带的附件。CS-1247 SMA 到 BNC 转接头连接到每条 CA-447A SMA 到 SMA 电缆。HCUR 和 HPOT 端子通过 CS-701A BNC T 形装置连接，构成 CVH；LCUR 和 LPOT 连接在一起，构成 CVL。使用随机自带的扭矩扳手，紧固 SMA 电缆连接，确保接触良好。红色 SMA 电缆为 100 Ω。并联的两条 100 Ω电缆是 50 Ω，这是高频源测量应用的标准配置。

图 7. 从 CVU 正确连接到 DUT

图 7 是 DUT 4 线传感实例。在本例中，HCUR 和 HPOT 端子连接到器件的一端，LPOT 和 LCUR 端子连接到器件的另一端。为了改善带宽，我们把同轴电缆的外部屏蔽层连接到金属测试夹具上。我们使用到器件的 4 线连接，通过尽可能靠近器件传感电压，来简化灵敏的测量。

四条同轴电缆每条电缆的外部屏蔽层必须尽可能近地连接到器件上，以使屏蔽层的环路面积达到最小。同轴电缆的外部屏蔽层还应连接到金属测试夹具上，以降低来自外部源的噪声和耦合。这降低了电感，有助于降低谐振效应，这种效应在 1MHz 以上的频率时可能会带来负担。

图 8. 连接两个控制装置公共部分的接地跳线

图 8 是连接两个探头电缆组件公共部分的跳线。吉时利仪器公司拥有一系列 4210-MMPC 多测量电缆套件，适用于各种探头，可以实现各种控制装置的常用连接。

使用 4200A-CVIV 多通道开关保护器件端子

可以使用选配的 4200A-CVIV 多通道开关，自动进行有保护的 C-V 测量，如图 9 所示。通过 CVIV，用户可以自动在器件的 I-V(SMU)测量和 C-V (CVU)测量之间切换，并把 C-V 保护装置连接到 DUT 的任意端子上。

图 9. 4200A-CVIV 多通道开关。

图 10 显示了把 CVU 的 CVHI 端子、CVLO 端子和 CV Guard 端子通过 4200A-CVIV 的输出连接到 BJT 的三个端子上。在这个实例中，CV Guard 通过 4200A-CVIV 的通道 3 切换到 BJT 的集电极端子上，这样就可以测量 CVHI 和 CVLO 之间的基极发射器电容。

图 10. 从 4200A-CVIV 连接到 BJT，进行有保护的测量。

Clarius 软件允许用户自动改变 4200A-CVIV 的输出，从而可以保护器件的任意端子。图 11 显示了 Clarius 中的 CVIV 多通道开关 Channel Config 设置。

图 11. 在 BJT 上进行基极发射器电容测量时的 cviv-configure 设置。

表 1 提供了各种测量问题的排障方式，供参考。

表 1. C-V 测量排障表

通过使用 CVU 内置测量工具、正确的线缆和连接及相应的测量技术，可以轻松实现良好的电容测量。CVU 提供了许多内置工具，包括补偿、定时参数和置信度检查。

泰克公司的 Keithley 4200A 是一台集成化的多功能的电学测试系统。常用于微电子、物理、化学，甚至生物等学科的电学测试。可以测试的参数曲线包括直流 IV（I-t/V-t）/CV/pulse IV 及基于这些曲线的其他特性参数的测试。