C-V測(cè)量技術(shù)、技巧與陷阱——常見(jiàn)C-V測(cè)量誤差 I

偏移[1]和增益誤差[2]（如圖7所示）是C-V測(cè)量中最常見(jiàn)的誤差。X軸以對(duì)數(shù)標(biāo)度的方式給出了電容的真實(shí)值，大小范圍從皮法到納法。Y軸表示系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的值，包含測(cè)量誤差。如果測(cè)量系統(tǒng)是理想的，那么所測(cè)出的值將與真實(shí)值完全匹配，可以畫成一條具有45度角的直線，如圖7中黑色的線所示。實(shí)際上，增益和偏移誤差（藍(lán)線和紅線）總是會(huì)出現(xiàn)，必須進(jìn)行校正。


增益、額定值、偏移量
圖7.電容測(cè)量中的增益和偏移誤差[3]
由于坐標(biāo)軸是對(duì)數(shù)形式的，因此藍(lán)線所示的偏移誤差就表示小電容上的小誤差以及大電容上的大誤差。由于偏移誤差變化這么大，校正這種誤差必須注意兩個(gè)方面。當(dāng)測(cè)量很小的電容（<10pF），即大阻抗時(shí)，最好的校正方法是“開(kāi)路校正”。當(dāng)測(cè)量較大的電容（高達(dá)10nF），即小阻抗時(shí)，最好采用“短路校正”。
圖7中還給出了增益誤差，以紅線所示。增益誤差的變化取決于所測(cè)電容的大小，它們相比偏移誤差更難以校正。“負(fù)載校正”是校正增益誤差的一種方法。進(jìn)行負(fù)載校正時(shí)需要連接一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，測(cè)量它，然后計(jì)算比值使得測(cè)量的值與已知的負(fù)載相匹配。負(fù)載校正的局限性在于，當(dāng)負(fù)載大小接近于待測(cè)器件時(shí)，它的效果最好。例如，如果我們想要測(cè)量10MHz下的一個(gè)5pF電容，這表示負(fù)載約為3千歐姆，那么，校正這一測(cè)量就需要找到3千歐姆的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。如果待測(cè)器件的尺寸變化很大（通常就是如此），這樣做就不切實(shí)際了，因此負(fù)載校正方法實(shí)際上不適用于一般的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。


CVU儀器[4]、Z短路、Z開(kāi)路、Z負(fù)載、探針
圖8.
開(kāi)路、短路和負(fù)載校正實(shí)際上是在干什么？圖8給出了一個(gè)交流阻抗測(cè)試[5]系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，其中添加了集總元件表示開(kāi)路、短路和負(fù)載誤差項(xiàng)。測(cè)量系統(tǒng)的所有組成部分——所有線纜、所有探針和所有卡盤——已集總在一起，表示為Z開(kāi)路（開(kāi)路阻抗誤差）、Z短路（短路電路阻抗誤差）和Z負(fù)載（負(fù)載校正組件）。在這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行校正的第一步是在探針之間形成短路，通常做法是將兩個(gè)探針頭放在同一個(gè)接觸pad上。然后用電容計(jì)測(cè)量電容值，并將其保存為剩余短路阻抗。第二步是抬起探針，使其保持在接近測(cè)量實(shí)際器件時(shí)應(yīng)有的方向。然后電容計(jì)測(cè)量電容值，將其保存為剩余開(kāi)路阻抗。如果需要，可以在探針之間加一個(gè)已知的阻抗負(fù)載，用電容計(jì)測(cè)量其值，將其保存為負(fù)載校正。下面的公式用于在測(cè)量中應(yīng)用這些校正。



其中：
Zfinal=最終經(jīng)過(guò)校正的測(cè)量阻抗
Zm=測(cè)得的阻抗
Load ratio=測(cè)得的負(fù)載校正
Zs=測(cè)得的短路校正
Zo=測(cè)得的開(kāi)路校正

Zfinal是根據(jù)這一公式應(yīng)用這些校正所得到的最終結(jié)果。如果校正值關(guān)閉，它就會(huì)進(jìn)入缺省狀態(tài)，使其對(duì)這一公式不可見(jiàn)。值得注意的是一個(gè)重要問(wèn)題，如果這些校正實(shí)現(xiàn)的不正確，它們實(shí)際上將使得最終的測(cè)量值還不如完全不進(jìn)行校正的正確！幸運(yùn)的是，為了提高易用性，當(dāng)前大多數(shù)交流阻抗表都已內(nèi)置了開(kāi)路、短路和負(fù)載校正以及相應(yīng)的計(jì)算公式。