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使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量

發(fā)布時間:2020-07-03 來源:泰克科技 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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阻抗測量。例如,C-V測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阻抗測量模塊(參見圖1),讓用戶能夠輕松進(jìn)行C-V測量。這兩種CVU之間的差異在于測試頻率數(shù)量和AC驅(qū)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(qū)動電壓范圍是10 mV ~ 1 V rms,4210-CVU的AC驅(qū)動電壓范圍是10 mV ~ 100 mV rms。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖1. 4200A-SCS參數(shù)分析儀。
 
CVUs采用獨(dú)特的電路設(shè)計,通過Clarius軟件控制,支持多種特性和診斷工具,確保測量結(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)時測量模式、開路、短路補(bǔ)償、參數(shù)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(dāng)?shù)木€纜和C-V測量技術(shù),用戶可以進(jìn)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(yīng)用或掃描DC電壓。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
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(jīng)過測試電路中的任何并聯(lián)電容。
 
根據(jù)測試設(shè)置,包括頻率、AC驅(qū)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(dǎo)出的參數(shù)。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(shù)
 
DUT測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中簡化的模型所示,CVU既可以作為串聯(lián)配置(RSCS) 測量DUT,也可以作為并聯(lián)配置(RPCP) 測量DUT。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖3. 簡化的測量模型
 
CVU可以測量和顯示以下參數(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)。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖4. 阻抗的矢量圖
 
通過使用Clarius內(nèi)置的Formulator工具,還可以從測得的數(shù)據(jù)中簡便地提取其他參數(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測量系統(tǒng)可能會相當(dāng)復(fù)雜,因?yàn)榕渲弥邪y量儀器和軟件、信號路徑線藍(lán)、測試夾具和器件。為進(jìn)行最優(yōu)測量,必需相應(yīng)設(shè)置CVU的測試設(shè)置和定時參數(shù)。必須使用適當(dāng)?shù)木€纜、探頭和測試夾具,然后必須執(zhí)行連接補(bǔ)償。最后,器件本身可能會導(dǎo)致測量問題。接下來將討論進(jìn)行良好的電容測量需要考慮的硬件和軟件。
 
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖5. C-V測量系統(tǒng)
 
適當(dāng)?shù)木€纜
 
為獲得最好的測量結(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個扭矩扳手(用來緊固SMA電纜連接)。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
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,這是高頻源測量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置。
 
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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(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以上的頻率時可能會帶來負(fù)擔(dān)。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
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(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),自動進(jìn)行有保護(hù)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(hù)裝置連接到DUT的任意端子上。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
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的三個端子上。在這個實(shí)例中,CV Guard通過4200A-CVIV的通道3切換到BJT的集電極端子上,這樣就可以測量CVHI和CVLO之間的基極發(fā)射器電容。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖10. 從4200A-CVIV連接到BJT,進(jìn)行有保護(hù)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(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。
 
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
圖11. 在BJT上進(jìn)行基極發(fā)射器電容測量時的cviv-configure設(shè)置。
 
表1 提供了各種測量問題的排障方式,供參考。
 
使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進(jìn)行最佳電容和AC阻抗測量
表1. C-V 測量排障表
 
通過使用CVU 內(nèi)置測量工具、正確的線纜和連接及相應(yīng)的測量技術(shù),可以輕松實(shí)現(xiàn)良好的電容測量。CVU提供了許多內(nèi)置工具,包括補(bǔ)償、定時參數(shù)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(xué)測試系統(tǒng)。常用于微電子、物理、化學(xué),甚至生物等學(xué)科的電學(xué)測試。可以測試的參數(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)的測試。
 
 
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