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      2. 使用4200A-SCS參數分析儀進行最佳電容和AC阻抗測量

        2020-07-02 15:15:22 來源:泰科科技
        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。

         
        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。
        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。

        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)。
        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。

        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)。

        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。
        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。
        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。


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