電容電壓（C-V）測量通常采用交流測量技術。而一些電容測量需要直流測量技術，被稱為準靜態C-V（或QSCV）測量，因為它們是在非常低的測試頻率下進行的，即幾乎是直流的。這些測量通常包括步進直流電壓和測量所產生的電流或電荷。一些用于準靜態C-V測量的技術包括 反饋電荷法和線性斜坡法。4200A-SCS參數分析儀采用了一種新的方法，即斜坡速率法，該方法采用了兩個4200-SMU源測量單元和兩個4200-PA前置放大器。可選的4200-PA前置放大器是必需的，因為該測試涉及測量皮安量級范圍內的電流。SMU用源電流給電容器充電，然后測量電壓、時間和放電電流。

軟件根據測量的參數來計算電容作為電壓的函數，并在4200A-SCS的顯示器上顯示曲線。本應用指南說明描述了如何使用4200A-SCS和斜坡方法來實現和優化準靜態C-V測量。（前提是用戶能熟練使用Keithley 4200A-SCS進行I-V測量。）

IV/CV參數測試相關直播回顧

斜坡法

圖1說明了斜坡法的基本連接圖，需要兩個4200-smu和4200-pa連接到被測設備的任意一側。由于斜坡法在一個有限的范圍內工作，因此被測器件的電容應在1pF到約400pF的范圍內。

斜坡法的工作原理是SMU作為電流源，將被測設備充電到特定的直流電壓。一旦設備被充電，當SMU測量電壓作為時間的函數時，一個極性相反的電流將被迫放電設備。第二個SMU測量放電電流。根據測量的電壓(V)、電流(I)和時間(t)值，得出電容(C)作為電壓和時間的函數：

圖1. 使用斜坡法測量電容的連接

4200A-SCS中包含的斜坡法在進行QSCV測量時遵循以下步驟：

1. 給設備充電：通過ForceSMU對DUT施加100pA的預充電電流，直到達到限制電壓。限制電壓是由用戶指定的，并被稱為VStart。預充電電流的極性與VStart電壓的極性相同。如果預充電電流不足以使設備進入VStart，則將產生超時錯誤。

2. 在掃描前在指定時間內給器件施加恒定值：設備在掃描前的用戶指定時間（提前時間）內，設備達到偏置VStart電壓。

3. 將斜坡電流應用于放電裝置：一旦設備在指定時間內達到偏置電壓，則會向器件施加斜坡電流以使設備放電。斜坡電流與預充電流的極性相反。斜坡電流的值為：

Iramp = CVal × RampRate

其中

CVal是用戶輸入的估計電容值(F)。

RampRate是用戶輸入特定速率的電壓（dV/dt），單位是V/s。

4. 同時觸發SMU以進行測量：作為Force SMU的SMU測量電壓 (V1、V2、V3…Vn）和時間 (T1、T2、T3…Tn）。測 量SMU測 量 電 流（I1,I2 和I3……）。測量電壓、時間和電流，直到達到VStart電壓的相反極性。

5. 計算電壓、時間和電容輸出值：實時從測量值中提取參數，并將其顯示在圖表中。這些參數分別為Vout =電壓、Tout =時間和Cout =電容，計算方法如下：

其中 dV=V2-V1 和 dT=T1-T1

如何使用Clarius軟件進行QSCV測量

Clarius軟件包括一個用戶模塊UTM，使用斜坡法進行準靜態C-V測量。這個用戶模塊meas_qscv位于QSCVulib用戶庫中，它可以作為項目中的自定義測試打開。

在meas_qscv用戶模塊中設置參數

一旦使用UTM創建了一個測試，就需要輸入一些參數。meas_qscv用戶模塊的可調參數如表1所示。

表1. meas_qscv用戶模塊中可調參數一覽表

這里是輸入參數的更詳細的描述：

Force SMU：

SMU施加電流到被測器件，并測量電壓作為時間的函數。這個SMU必須有一個前置放大器，因為它將在pA范圍內監測電流。

Measure SMU：

測量電路中電流的SMU。這個SMU必須有一個前置放大器，因為它將測量pA范圍內的電流。

VStart：

這是C-V掃描的起始電壓和結束電壓，C-V掃描總是以0V為對稱值。

CVal：

輸入被測設備的近似最大電容值。該值用于確定器件充電的源電流的大小。

RampRate：

充電電壓的斜率，單位V/s。如果斜坡速率太快，則在掃描中將沒有足夠的數據點。如果斜坡的速度過慢，讀數可能會有噪聲。需要進行一些實驗來找到被測器件的最佳設置。

啟動時間：

在CV掃描開始前對被測器件施加VStart電壓的時間長度，讓設備充電并達到平衡。

Timeout：

在測試模塊超時之前，允許將器件充電到VStart電壓的時間。在某些情況下，例如當設備短路時，設備可能無法達到VStart電壓；該參數使模塊能夠自動停止并生成錯誤消息。默認情況下，它是10秒。

執行測試

通過在測試庫中選擇一個新的自定義測試，可以在項目中打開meas_qscv用戶模塊。然后在屏幕的左上角選擇“配置”，并在右側窗格中選擇QSCVulib用戶庫和meas_qscv用戶模塊。然后，可以根據應用程序輸入適當的值。

Keithley已經創建了一個測試和一個項目，它使用meas_qscv用戶模塊進行準靜態C-V測量。在屏幕的左上角選擇“選擇”，然后從測試庫或項目庫中，在搜索欄中輸入qscv，并選擇“搜索”。qscv測試或項目將自動出現在中心窗格中。

使用斜坡率項目的 準靜態C-V（斜坡率掃描）的項目樹如圖2所示。

圖2. 使用斜坡法項目的準靜態C-V項目樹（qscv）

這個項目包含一個名為斜坡cv掃描的測試，用于在MOSFET設備上進行測量。用于設置測試參數的配置如圖3所示

圖3. 斜坡掃描測試的配置界面~~

在這個測試中，使用SMU1（Force SMU）和SMU2（Measure SMU）來進行C-V測量。VStart值設置為4V，因此這將產生從-4V到4V的電壓掃描。近似的電容值為10pF，這是CVal的參數輸入。這個CV電容值將用于確定斜坡電流。如果這個數字過低（例如，1E-12而不是10E-12），則電容測量將會出現噪聲。RampRate值設置為0.7V/s。在這種情況下，一個更大（1V/s）的RampRate將產生一個更慢的曲線，但將有更少的數據點。較小的波動率（0.1V/s）將產生具有大量數據點的更多的噪聲曲線。需要進行實驗，以確定被測試的被測器件的最佳設置。

一旦器件連接到兩個smu，并使用所需的輸入參數創建了測試，就可以執行C-V掃描。這種掃描的結果如圖4所示。

圖4. MOSFET器件的準靜態C-V掃描

優化測量

當使用斜坡法進行準靜態C-V測量時，必須使用各種技術來優化測量精度。這些技術包括實現低電流的測量和在軟件中選擇適當的設置。

由于使用斜坡率法涉及到測量微小電流，因此必須采用低電流測量技術。使用4200A-SCS附帶的三軸電纜，這是屏蔽線纜。為了減少靜電干擾造成的噪聲，確保將器件放置在金屬外殼中，屏蔽罩與4200A-SCS的LO端子相連。

meas_qscv模塊中影響測量影響最大的參數設置是C**Val和RampRate。CVal是被測器件的近似值。如果輸入的值大于實際設備的值，那么RampRate將會更大，數據點也會更少。相反，如果輸入的電容值小于實際器件電容，則速率將會更低，曲線中將會有更多的數據點。使用盡可能大的速率，但確保設備曲線顯示穩定。然而，如果速度太快，可能沒有足夠的點。

為了降低曲線的噪聲水平，可以使用公式器中的平均函數（MAVG）。試著使用三個讀數的移動平均值，看看這是否有幫助。不要將移動平均數設置得很大，從而失去C-V曲線的形狀。

要減去電纜和探頭造成的偏移，請使用探頭向上或開路的meas_qscv模塊進行C-V掃描。使用公式器，取讀數的平均值。從在被測器件上的電容測量值中減去這個平均偏移值。

結論

用4200-SMU進行斜坡法進行準靜態C-V測量。該技術在Clarius軟件的QSCV_uslib用戶庫的meas_qscv模塊中的軟件中實現。使用低電流的測量技術，并在軟件中選擇適當的參數設置，將得到準確可靠的結果。




審核編輯：劉清