C-V測量技術(shù)、技巧與陷阱——常見(jiàn)C-V測量誤差 I

偏移[1]和增益誤差[2]（如圖7所示）是C-V測量中最常見(jiàn)的誤差。X軸以對數標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軸表示系統實(shí)際測量的值，包含測量誤差。如果測量系統是理想的，那么所測出的值將與真實(shí)值完全匹配，可以畫(huà)成一條具有45度角的直線(xiàn)，如圖7中黑色的線(xiàn)所示。實(shí)際上，增益和偏移誤差（藍線(xiàn)和紅線(xiàn)）總是會(huì )出現，必須進(jìn)行校正。


增益、額定值、偏移量
圖7.電容測量中的增益和偏移誤差[3]
由于坐標軸是對數形式的，因此藍線(xiàn)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。當測量很小的電容（<10pF），即大阻抗時(shí)，最好的校正方法是“開(kāi)路校正”。當測量較大的電容（高達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(xiàn)所示。增益誤差的變化取決于所測電容的大小，它們相比偏移誤差更難以校正。“負載校正”是校正增益誤差的一種方法。進(jìn)行負載校正時(shí)需要連接一個(gè)已知的標準負載，測量它，然后計算比值使得測量的值與已知的負載相匹配。負載校正的局限性在于，當負載大小接近于待測器件時(shí)，它的效果最好。例如，如果我們想要測量10MHz下的一個(gè)5pF電容，這表示負載約為3千歐姆，那么，校正這一測量就需要找到3千歐姆的標準負載。如果待測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，因此負載校正方法實(shí)際上不適用于一般的實(shí)驗室應用。


CVU儀器[4]、Z短路、Z開(kāi)路、Z負載、探針
圖8.
開(kāi)路、短路和負載校正實(shí)際上是在干什么？圖8給出了一個(gè)交流阻抗測試[5]系統的簡(jiǎn)化模型，其中添加了集總元件表示開(kāi)路、短路和負載誤差項。測量系統的所有組成部分——所有線(xiàn)纜、所有探針和所有卡盤(pán)——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負載（負載校正組件）。在這個(gè)測試系統上進(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。然后用電容計測量電容值，并將其保存為剩余短路阻抗。第二步是抬起探針，使其保持在接近測量實(shí)際器件時(shí)應有的方向。然后電容計測量電容值，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)已知的阻抗負載，用電容計測量其值，將其保存為負載校正。下面的公式用于在測量中應用這些校正。



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

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