簡介

典型的半導(dǎo)體電容在pF或nF范圍內(nèi)。許多商業(yè)上可用的LCR表或電容計補償后可以使用適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)來測量這些值，然而，一些應(yīng)用需要在飛秒法（fF）或1e-15范圍內(nèi)進行非常靈敏的電容測量。這些應(yīng)用包括測量金屬到金屬的電容，晶片上的互連電容，MEMS器件，如：開關(guān)，納米器件端子之間的電容。如果沒有使用適當(dāng)?shù)膬x器和測量技術(shù)，這些非常小的電容很難進行測量。

使用4200A-SCS參數(shù)分析儀配備的4215-CVU（CVU），用戶能夠測量大范圍的電容，<1pF非常低的電容值也能測到。CVU采用獨特的電路設(shè)計，并由Clarius+軟件控制，支持校準(zhǔn)和診斷工具，以確保最準(zhǔn)確的結(jié)果。使用這種CVU和適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)可以使用戶實現(xiàn)多個噪聲水平的非常低的電容（1e-18f）測量。

本應(yīng)用說明了如何使用4215-CVU電容電壓單元進行fF電容測量。這包括建立適當(dāng)?shù)倪B接和使用Clarius軟件中適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)置，以獲得最好的結(jié)果。關(guān)于進行電容測量的進一步信息，包括電纜和連接、定時設(shè)置、保護和補償，可以在Keithley應(yīng)用說明中找到，使用4200A-SCS參數(shù)分析儀進行最佳電阻和交流阻抗測量。

憶阻器單元基礎(chǔ)研究測試方案

憶阻器單元性能研究測試方案

神經(jīng)形態(tài)計算器件陣列測試方案

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有機半導(dǎo)體材料及有機電子器件電性能測試方案

連接被測器件

與被測設(shè)備（DUT）進行適當(dāng)?shù)倪B接對測量靈敏的低電容至關(guān)重要。

為了獲得最佳效果，使用標(biāo)配的紅色SMA電纜從CVU連接到DUT。紅色SMA電纜的特征阻抗為100Ω。兩根100Ω并聯(lián)電纜具有50Ω的特性阻抗，這是高頻源測量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。所提供的附件允許通過BNC或SMA、連接件連接到測試夾具或探針上。使用提供的扭矩扳手，擰緊SMA電纜連接，以確保良好的接觸。

雙線感知和測量的CVU配置如圖1所示。HCUR和HPOT端子連接到BNC三通，形成CVH（HI），LCUR和LPOT端子連接到形成CVL（LO）。

圖1. 雙線測量的CVU連接

圖2是DUT四線測量的示例。在這種情況下，HCUR和HPOT端連接到設(shè)備的一端，LPOT和LCUR端連接到設(shè)備的另一端。將四線連接到設(shè)備上，通過測量盡可能接近設(shè)備的電壓來進行敏感的測量。

圖2. 四線測量的CVU連接

對于雙線或四線測流量，同軸電纜的外部屏蔽必須盡可能接近設(shè)備，以盡量減少屏蔽的環(huán)路面積。這降低了電感，并有助于避免共振效應(yīng)，尤其在大于1MHz的頻率下影響更大。

保持所有電纜安裝牢固，以避免任何移動。在執(zhí)行偏置測量和實際DUT測量之間時發(fā)生的任何運動都可能輕微改變回路電感并影響補償數(shù)據(jù)。

當(dāng)測量非常小的電容時，屏蔽DUT對于減少由于干擾而造成的測量不確定性變得很重要。干擾源可以是交流信號，甚至是物理運動。金屬屏蔽應(yīng)包圍DUT，并連接到同軸電纜的外殼上。

對于低電容測量，最好使用四線測量，但是，如果電纜較短且使用補償，則可以實現(xiàn)雙線傳感的最佳測量。

測量fF電容的Clarius+軟件配置

在Clarius軟件中設(shè)置測量包括在庫中選擇fF項目、配置測試設(shè)置和執(zhí)行測量。

選擇庫的的電容項目

在Clarius軟件的項目庫中包含了一個用來進行非常小的電容測量的項目。從選擇視圖中，在搜索欄中輸入“femtofarad” 。fF電容項目將出現(xiàn)在窗口中，如圖3 所示。選擇“創(chuàng)建”，以在項目樹中打開項目。

圖3. 庫中fF電容測量項目

配置測試設(shè)置

一旦項目被創(chuàng)建，飛法電容項目將出現(xiàn)在項目樹中，如圖4所示。

圖4. 飛法電容項目樹

本項目有兩個測試：1）cap-measure-uncompensated測試項，用于測量DUT的電容。2) open-meas測試，用來獲取電纜和連接件的電容，由于這些電容測量的靈敏度，開路測量用來保證DUT測量的精確度，開路測量數(shù)據(jù)從DUT的電容測量值中減去。該方法能對極低電容的良好的測量結(jié)果。

對于成功的低電容測量，在配置窗口中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測量和定時設(shè)置是很重要的。以下是一些關(guān)于做出最佳調(diào)整的建議：

測量設(shè)置：用戶可以控制的一些設(shè)置：電流測量范圍、交流驅(qū)動電壓和測試頻率。這些對測量很重要，因為它們涉及到確定器件電容的方程式。CVU根據(jù)Iac、Vac和測試頻率計算設(shè)備電容：

其中，

C = 器件電容 (F)

Iac = CVU測量的交流電流

f= 測試頻率

Vac = 交流驅(qū)動電壓

通過觀察這些方程中的關(guān)系，可以推導(dǎo)出電流測量范圍、交流驅(qū)動電壓和測試頻率的最佳設(shè)置。

CVU有三個電流測量范圍：1μA、30μA和1mA。對于噪聲最小的最低電容測量，使用最低電流范圍，1μA范圍。

交流驅(qū)動電壓的水平會影響測量的信噪比。當(dāng)交流噪聲水平保持相對恒定時，使用更高的交流驅(qū)動電壓產(chǎn)生更大的交流電流，從而提高信噪比。所以，最好使用盡可能高的交流驅(qū)動電壓。本項目采用了1V交流驅(qū)動電壓。

對于非常低的電容測量，使用大約1MHz的測試頻率是理想的。由于測試頻率遠(yuǎn)高于1MHz，傳輸線效應(yīng)增加了成功測量的難度。在較低的測試頻率下，由于測試頻率和電流成比例，測量值的分辨率會降低，因此，會產(chǎn)生更大的噪聲。

定時設(shè)置：定時設(shè)置可以在“測試設(shè)置”窗口中進行調(diào)整。速度模式設(shè)置使用戶能夠調(diào)整測量窗口。對于非常低的電容測量，請使用自定義速度模式來設(shè)置測量時間，以達到所需的精度和噪聲水平?；旧?，測量時間或窗口時間越長，測量的噪聲就越小。噪聲與測量時間的平方根成反比，如下式所示：

該噪聲可以通過計算電容測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來獲得。這個計算可以使用Clarius軟件中的公式編輯器自動完成。cap-meas-uncompensated測試自動計算噪聲并將值返回到表。

可以使用圖5中所示的測試設(shè)置窗口中的自定義速度模式來調(diào)整測量窗口。

圖5. “測試設(shè)置”窗口中的自定義速度模式測量

窗口的時間，計算方法如下：

Measurement Window = (A/D Aperture Time) *(FilterFactor2 or Filter Count)

表1列出了CVU噪聲作為測量窗口的函數(shù)，用兩線法將電容連接到CVU端子。噪聲的計算方法是取15個讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及設(shè)置為0V直流、1MHz和1V交流驅(qū)動電壓的測量值。該數(shù)據(jù)驗證了隨著測量時間的增加，噪聲會減小。注意，以上噪聲是在≥1s的測量時間內(nèi)fF或1E-18F范圍內(nèi)的噪聲?？赡苄枰诿總€測試環(huán)境中進行實驗，以確定一個測試的最佳測量時間。

表1. 1ff電容的測量時間與噪聲的關(guān)系

執(zhí)行測量

一旦配置了硬件和軟件，就可以執(zhí)行測量。理想情況下，4200A-SCS應(yīng)該在進行測量前至少預(yù)熱一個小時。

按照這四個步驟進行補償測量并重復(fù)結(jié)果。

■1. 測量器件的電容。在項目樹中選擇cap-meas-uncompensated測試。在“配置”視圖中，根據(jù)設(shè)備和應(yīng)用程序調(diào)整測試設(shè)置。運行該測試。

■2. 測量開路情況。在項目樹中選擇 open-meas

■3.測試。調(diào)整測試設(shè)置，使其與cap-meas-uncompensated測試中的測試設(shè)置完全相同，包括數(shù)據(jù)點數(shù)和電壓步數(shù)。僅斷開CVH（HCUR和HPOT）電纜。確保未端接的電纜已進行封蓋。運行開路測試。

■4. 分析結(jié)果。在項目樹中選擇femtofarad-capacitance項目，然后選擇分析視圖。圖6顯示了顯示補償?shù)?fF測量值的屏幕截圖。

圖6. 1fF電容測量的分析圖表和圖形截圖

注意，最近的電容和開路測量在表中噪聲測量計算的后面。項目樹中所有的測試數(shù)據(jù)將顯示在屏幕的右側(cè)。

如如圖7所示，選擇了capmeas-uncompensated和 open-meas測試的數(shù)據(jù)。這意味著每次執(zhí)行測試時，都將在工作表中填充最新的數(shù)據(jù)。

圖7. 從測試中得出的數(shù)據(jù)

在公式器中建立了一個公式，通過從項目級分析圖表中的capmeas-uncompensated測試 數(shù) 據(jù) 減 去open-meas 測試數(shù)據(jù)，自動計算補償電容測量值。該圖顯示了補償?shù)碾娙葑鳛闀r間的函數(shù)。表中的電容列列出了補償?shù)臏y量值以及所有讀數(shù)的平均電容。圖8顯示了電容測量數(shù)據(jù)（Cp-AB）、時間、噪聲、AB測量數(shù)據(jù)、補償測量數(shù)據(jù)（電容）和平均電容（AVG_CAP）。

圖8. 分析界面中顯示的測試數(shù)據(jù)

■5. 重復(fù)測量?？梢赃\行在項目中重復(fù)某個測量。補償讀數(shù)將自動計算。但是，open-meas測試不需要選擇，如圖9所示。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)意外移動，應(yīng)定期重復(fù)獲取的開路數(shù)據(jù)。這可能因為了溫度的變化或電纜的運動。

圖9. 在項目樹中不選擇open-meas測試

結(jié)論

4215-CVU利用庫項目、適當(dāng)?shù)倪B接、適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)和設(shè)置，可以測量fF水平電容。使用適當(dāng)測量窗口的4215-CVU可以使幾十個aF范圍及以下的噪聲水平。