【導讀】各種各樣的應用通常要在許多類型的器件上執行電容-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：MOSCAPs的柵極氧化物電容、MOSFET輸入和輸出電容、太陽能電池的內置電位、二極管的多數載流子濃度、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測量
4215-CVU和4210-CVU都是適用于4200A-SCS參數分析儀的多頻(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量和AC驅動電壓。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驅動電壓范圍是10 mV ~ 1 V rms，4210-CVU的AC驅動電壓范圍是10 mV ~ 100 mV rms。
圖1. 4200A-SCS參數分析儀。
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擁有多種內置工具，如實時測量模式、開路、短路補償、參數提取生成器、濾波、定時控制，并能夠在軟件中切換AC電流表端子。除外，它還采用適當的線纜和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。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，而不會經過測試電路中的任何并聯電容。
根據測試設置，包括頻率、AC驅動電壓和電流范圍，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。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
DUT測量的典型模型通常是一條串聯或并聯電阻電容(RC) 電路。如圖3中簡化的模型所示，CVU既可以作為串聯配置(RSCS) 測量DUT，也可以作為并聯配置(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：阻抗和相位角(Z,Theta)，電阻和電抗 (R+jX)，并聯電容和電導(CP-GP)，串聯電容和電阻(CS-RS)，并聯電容和雜散因子 (CP-D)，串聯電容和雜散因子(CS-D)，導納和相位角(Y,theta)。
圖4. 阻抗的矢量圖
通過使用Clarius內置的Formulator工具，還可以從測得的數據中簡便地提取其他參數，如電感。圖4中的阻抗矢量圖顯示了阻抗的基礎公式。
如圖5所示，C-V測量系統可能會相當復雜，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。為進行最優測量，必需相應設置CVU的測試設置和定時參數。必須使用適當的線纜、探頭和測試夾具，然后必須執行連接補償。最后，器件本身可能會導致測量問題。接下來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
適當的線纜
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100 Ω。并聯的兩條100 Ω電纜是50 Ω，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，可以實現各種控制裝置的常用連接。
使用4200A-CVIV多通道開關保護器件端子
可以使用選配的4200A-CVIV多通道開關，自動進行有保護的C-V測量，如圖9所示。通過CVIV，用戶可以自動在器件的I-V(SMU)測量和C-V (CVU)測量之間切換，并把C-V保護裝置連接到DUT的任意端子上。
圖9. 4200A-CVIV多通道開關。
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的三個端子上。在這個實例中，CV Guard通過4200A-CVIV的通道3切換到BJT的集電極端子上，這樣就可以測量CVHI和CVLO之間的基極發射器電容。
圖10. 從4200A-CVIV連接到BJT，進行有保護的測量。
Clarius軟件允許用戶自動改變4200A-CVIV的輸出，從而可以保護器件的任意端子。圖11顯示了Clarius中的CVIV多通道開關Channel Config設置。
圖11. 在BJT上進行基極發射器電容測量時的cviv-configure設置。
表1 提供了各種測量問題的排障方式，供參考。
表1. C-V 測量排障表
通過使用CVU 內置測量工具、正確的線纜和連接及相應的測量技術，可以輕松實現良好的電容測量。CVU提供了許多內置工具，包括補償、定時參數和置信度檢查。
泰克公司的Keithley 4200A是一臺集成化的多功能的電學測試系統。常用于微電子、物理、化學，甚至生物等學科的電學測試。可以測試的參數曲線包括直流IV（I-t/V-t）/CV/pulse IV及基于這些曲線的其他特性參數的測試。
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