使用4200A-SCS参数分析仪进行最佳电容和AC阻抗测量

作者：泰克科技

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。泰克7月3日14：30 -15：45直播课堂“半导体参数测试仪使用技巧及案例集锦”，欢迎扫码听课。