簡介

典型的半導體電容在pF或nF范圍內。許多商業上可用的LCR表或電容計補償后可以使用適當的測量技術來測量這些值，然而，一些應用需要在飛秒法（fF）或1e-15范圍內進行非常靈敏的電容測量。這些應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，納米器件端子之間的電容。如果沒有使用適當的儀器和測量技術，這些非常小的電容很難進行測量。

使用4200A-SCS參數分析儀配備的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采用獨特的電路設計，并由Clarius+軟件控制，支持校準和診斷工具，以確保最準確的結果。使用這種CVU和適當的測量技術可以使用戶實現多個噪聲水平的非常低的電容（1e-18f）測量。

本應用說明了如何使用4215-CVU電容電壓單元進行fF電容測量。這包括建立適當的連接和使用Clarius軟件中適當的測試設置，以獲得最好的結果。關于進行電容測量的進一步信息，包括電纜和連接、定時設置、保護和補償，可以在Keithley應用說明中找到，使用4200A-SCS參數分析儀進行最佳電阻和交流阻抗測量。

憶阻器單元基礎研究測試方案

憶阻器單元性能研究測試方案

神經形態計算器件陣列測試方案

低維神經元網絡陣列測試方案

三端器件節點神經元網絡陣列測試方案

有機半導體材料及有機電子器件電性能測試方案

連接被測器件

與被測設備（DUT）進行適當的連接對測量靈敏的低電容至關重要。

為了獲得最佳效果，使用標配的紅色SMA電纜從CVU連接到DUT。紅色SMA電纜的特征阻抗為100Ω。兩根100Ω并聯電纜具有50Ω的特性阻抗，這是高頻源測量應用的標準。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端連接到設備的一端，LPOT和LCUR端連接到設備的另一端。將四線連接到設備上，通過測量盡可能接近設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備，以盡量減少屏蔽的環路面積。這降低了電感，并有助于避免共振效應，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。在執行偏置測量和實際DUT測量之間時發生的任何運動都可能輕微改變回路電感并影響補償數據。

當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軟件中設置測量包括在庫中選擇fF項目、配置測試設置和執行測量。

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電容項目將出現在窗口中，如圖3 所示。選擇“創建”，以在項目樹中打開項目。

圖3. 庫中fF電容測量項目

配置測試設置

一旦項目被創建，飛法電容項目將出現在項目樹中，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，開路測量數據從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果。

對于成功的低電容測量，在配置窗口中適當地調整測量和定時設置是很重要的。以下是一些關于做出最佳調整的建議：

測量設置：用戶可以控制的一些設置：電流測量范圍、交流驅動電壓和測試頻率。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Iac、Vac和測試頻率計算設備電容：

其中，

C = 器件電容 (F)

Iac = CVU測量的交流電流

f= 測試頻率

Vac = 交流驅動電壓

通過觀察這些方程中的關系，可以推導出電流測量范圍、交流驅動電壓和測試頻率的最佳設置。

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。

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

對于非常低的電容測量，使用大約1MHz的測試頻率是理想的。由于測試頻率遠高于1MHz，傳輸線效應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，會產生更大的噪聲。

定時設置：定時設置可以在“測試設置”窗口中進行調整。速度模式設置使用戶能夠調整測量窗口。對于非常低的電容測量，請使用自定義速度模式來設置測量時間，以達到所需的精度和噪聲水平。基本上，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準偏差來獲得。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中所示的測試設置窗口中的自定義速度模式來調整測量窗口。

圖5. “測試設置”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，用兩線法將電容連接到CVU端子。噪聲的計算方法是取15個讀數的標準偏差，以及設置為0V直流、1MHz和1V交流驅動電壓的測量值。該數據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fF或1E-18F范圍內的噪聲。可能需要在每個測試環境中進行實驗，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系

執行測量

一旦配置了硬件和軟件，就可以執行測量。理想情況下，4200A-SCS應該在進行測量前至少預熱一個小時。

按照這四個步驟進行補償測量并重復結果。

■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，根據設備和應用程序調整測試設置。運行該測試。

■2. 測量開路情況。在項目樹中選擇 open-meas

■3.測試。調整測試設置，使其與cap-meas-uncompensated測試中的測試設置完全相同，包括數據點數和電壓步數。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顯示了顯示補償的1fF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據將顯示在屏幕的右側。

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

圖7. 從測試中得出的數據

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 據 減 去open-meas 測試數據，自動計算補償電容測量值。該圖顯示了補償的電容作為時間的函數。表中的電容列列出了補償的測量值以及所有讀數的平均電容。圖8顯示了電容測量數據（Cp-AB）、時間、噪聲、AB測量數據、補償測量數據（電容）和平均電容（AVG_CAP）。

圖8. 分析界面中顯示的測試數據

■5. 重復測量。可以運行在項目中重復某個測量。補償讀數將自動計算。但是，open-meas測試不需要選擇，如圖9所示。如果數據出現意外移動，應定期重復獲取的開路數據。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

結論

4215-CVU利用庫項目、適當的連接、適當的測量技術和設置，可以測量fF水平電容。使用適當測量窗口的4215-CVU可以使幾十個aF范圍及以下的噪聲水平。