CN106771954A - 对pn结进行自动测量的电容电压特性测试仪及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪及其测试方法，该测试仪可自动调控二极管反向电压，同时测量结间电容的自动电容电压(C‑V)特性。待测二极管置于测试样品台上，二极管两端电极与测试样品台上的电极紧密接触，此时由主控制器控制可编程稳压电源输送正向或反向电压至二极管，并由高频电容测试仪测量当前偏压下的结电容，在主控制器的控制下，所加电压的数值不断变化，电容量也随之改变，主控制器保存对应偏压下的二极管电容值，并对从起始电压到终极电压之间的大量C‑V数据组绘制相应的C‑V曲线。本发明可以改变传统人工调节偏置电压，手工记录并绘制C‑V曲线的繁琐操作，具有效率高、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件测试研究领域，特别涉及一种针对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪及其测试方法。
背景技术
PN结是半导体器件的基础单元，由于PN结本身是一个势垒区，存在势垒电容，加正向偏压时，PN结势垒区变窄，结电容变大；加反向偏压时，PN结势垒区变宽，结电容变小。结电容C＝Q/V，其中Q为结区电荷，V为电压。电荷量Q是由电离杂质(施主或受主)形成的，因此Q值与杂质浓度相关，通过测量二极管电容和电压之间的关系可以得到器件内部杂质浓度随深度的变化情况，这是研究器件特性的重要手段。
目前普遍使用的电容电压特性测试仪，是用人工手动调节PN结的偏压，并记录相应的偏压值、电容量、漏电流值，测试数据量大，耗时长，记录完所有的测试数据后，还需要对所有数据进行处理以及绘图。另外，由于人工手动调节，其测试速度和测试密度均无法得到保证，只能大致进行测量，所得结果不够精确。
因此，需要一种对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪及其测试方法。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪，该测试仪通过可编程稳压电源对待测二极管加步进偏压，并可从正偏压自动切换为负偏压，通过实时采集当前的电容量、偏压值、漏电流值，可以实现对PN结的全自动测量，显示、保存测量数据，并绘制曲线图，不仅大大缩短了测量时间，而且测量结果更加精确。
本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于上述测试仪的测试方法，该方法能够全自动控制PN结电容电压特性的整个测量过程，实现快速、精确测量。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪，包括测试样品台、可编程稳压电源、高频电容测试仪、数字表、单片机控制系统以及主控制器，测试样品台上设有用于贴紧待测二极管两端的电极，可编程稳压电源在待测二极管两端加步进的偏压，高频电容测试仪与待测二极管两端相连以测量当前偏压下的电容量和漏电流；数字表包括电容量数字表、偏压值数字表和漏电流值数字表，三者的输出端均与单片机控制系统的输入端相连，漏电流值数字表的输入端、电容量数字表的输入端均与高频电容测试仪的输出端相连，偏压值数字表的输入端与可编程稳压电源相连；单片机控制系统、可编程稳压电源分别与主控制器相连，主控制器上设有人机交互装置。本发明通过在人机交互装置上设定可编程稳压电源的步进值、步进范围等参数，即可实时采集到当前的电容量、偏压值、漏电流值，并予以显示，具有自动化程度高、效率高的优点。
优选的，所述电容电压特性测试仪中还设有一正负极切换电路，该电路输入端与单片机控制系统相连，输出端与测试样品台连接。通过该电路可实现自动切换加载在待测二极管两端的电压极性。
优选的，所述电容量数字表的通讯方式为8421BCD码，所述偏压值数字表和漏电流值数字表均带有串行通讯接口，通讯方式为RS485串口。
优选的，所述可编程稳压电源是通过RS232串口与主控制器相连。
优选的，所述单片机控制系统通过RS232串口与主控制器连接。
优选的，所述主控制器还与一打印机相连。用于对所得数据处理结果、绘制的曲线图等进行打印输出。
优选的，所述高频电容测试仪采用1MHz电容测试仪。在电容测试仪领域，100KHz(不包括100K)以上属于高频，100KHz以下属于低频。
优选的，在电容电压特性测试仪中还包括一终端面板，所述数字表的显示端均固定在该面板上。从而实时采集的参数值可集中显示，便于现场观测。
更进一步的，所述终端面板上设有若干个测试端端口，端口分别与可编程稳压电源、高频电容测试仪相连，测试样品台在测试时直接固定在上述测试端端口上。从而使测试仪终端设备集成化程度更高。
一种基于上述电容电压特性测试仪的测试方法，包括以下步骤：主控制器控制可编程稳压电源在设定的范围内，按照设定的步进值自动从低到高依次输出偏压，并将输出的偏压加到待测二极管上，实时采集该偏压下待测二极管上的电容量、偏压值、漏电流值，并通过单片机控制系统上传到主控制器，主控制器对数据进行显示、保存、处理、绘图。
具体的，包括步骤：
(1)初始阶段：开启主控制器电源和可编程稳压电源，将待测二极管夹在测试样品台两端电极上，两端电极分别标注“+”、“-”，待测二极管的正极夹于“+”上，负极夹在“-”上，并使接触良好；
在主控制器上设定相应的偏压测试范围、电压步进值；
(2)测试阶段：主控制器先控制可编程稳压电源按照步进值输出正向偏压到待测二极管，然后通过高频电容测试仪测量当前偏压下的结电容和漏电流值，通过可编程稳压电源获得当前偏压，然后结电容、漏电流值、偏压分别在电容量数字表、漏电流值数字表、偏压值数字表上显示，单片机控制系统将上述的电容量、偏压值、漏电流值发送到主控制器；持续上述过程，直到当前的偏压达到预设的正向偏压最大值；
然后，主控制器控制可编程稳压电源按照步进值输出反向偏压到待测二极管，重复上述采集、信息传递过程，直到当前的偏压达到预设的反向偏压最大值；
(3)主控制器中的存储器对数据进行保存，人机交互装置对数据进行实时显示，同时，根据获得的起始电压到终极电压之间的二极管电容值-电压数据，绘制曲线图。
优选的，步骤(2)中，在当前的偏压达到预设的正向偏压最大值时，主控制器发送测量反向偏压信号到单片机控制系统，单片机控制系统控制连接的正负极切换电路自动切换方向，正负极切换电路与测试样品台连接，使得加载在待测二极管上的电压成为负压。从而可免去手动更换测试样品所夹方向，使测量更加连续，快捷。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、目前国内现有的电容电压特性测试仪，只能用手工调节的方式进行测量，并需要记录大量数据，并对大量数据进行分析，工作效率低。本发明通过采用可编程稳压电源，结合单片机、主控制器，可自动按照设置的步进值和步进范围进行测量并绘制曲线，并自动显示、保存、分析测试数据，大大提高了工作效率，而且可以选择不同步进值对测试样品进行对比测量，也可对测试样品进行密度更大的测量，而这些都是手动测量需要花费大量时间才能够完成的。本发明使半导体器件行业对型号器件的PN结可以进行快速测量，使高等院校和科研机构提高了研发进度。
2、本发明中的主控制器可对测试数据进行保存及导出，可随时查询历史数据，导出分析曲线图，测量参数可按用户测量要求进行设置，更加灵活化、人性化。
附图说明
图1是本发明的测试原理示意图。
图2是本发明终端面板外观示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪，包括测试样品台、可编程稳压电源、高频电容测试仪、数字表、单片机控制系统、终端面板以及主控制器。终端面板的外观示意图参见图2，数字表的显示端均固定在该面板上。下面对各个部分进行具体说明。
在实际应用中，测试样品台可单独设置，也可以直接置于高频电容测试仪上。在测试样品台上设有两个电极，电极分别标注“+”、“-”，在测试时，待测二极管的正极、负极分别与上述两个电极接触良好，可以采用夹具进行夹紧等方式实现。测试样品台单独设置时，可以直接连入图2所示终端面板上的测试端，测试完毕，则将测试样品台从上述测试端拔下。
本实施例中，可编程稳压电源一端通过RS232串口与主控制器相连，另一端通过电线与测试样品台上的两个电极相连。可编程稳压电源在主控制器的控制下，按照一定时间间隔、按照设定的步进值自动从低到高调节输出电压，并将相应的电压加到待测二极管两端，随着所加电压的数值不断变化，待测二极管的电容量也随之改变。在进行加压过程中，将当前的电压值(即偏压值)发送到偏压值数字表。
本实施例中，高频电容测试仪的输入端与待测二极管两端相连，用于测量当前偏压下的电容量和漏电流，其输出端分别与漏电流值数字表的输入端、电容量数字表的输入端相连。
本实施例中，数字表具体包括电容量数字表、偏压值数字表和漏电流值数字表，电容量数字表通过8421BCD码与单片机控制系统进行通讯连接，偏压值数字表和漏电流值数字表通过RS485串口与单片机控制系统进行通讯连接。漏电流值数字表的输入端、电容量数字表的输入端均与高频电容测试仪的输出端相连，偏压值数字表的输入端与可编程稳压电源相连。
本实施例中，单片机控制系统通过RS232串口与主控制器相连，用于将不同偏压下各数字表的测试结果传输给主控制器。
另外，在电容电压特性测试仪中还设有一正负极切换电路，该电路分别与单片机控制系统和测试样品台相连。单片机控制其适时切换测试样品台上加载在待测二极管两端的电压极性，切换完毕后单片机通知主控制器继续负极测量。
本实施例中，主控制器包括储存模块、处理模块、人机交互装置等等，单片机根据与主控制器拟定的通讯协议将转换的数字表信号发送给主控制器；主控制器进行数据显示、保存，数据处理、分析、绘图，通过所连接的显示器显示，进行人机交互工作。另外主控制器还与一打印机相连，可对导出的数据、曲线图进行打印操作。
如图2所示，在本实施例所述终端面板上，数字表都在此界面上，分别显示电容量、偏压值、漏电流值。“测试端”为测试样品台连接处，将测试样品台与“测试端”下面的四个接口相接，可以实现对待测样品加偏压并且测量其电容量和漏电流值，此外，测试前可通过该界面对仪器进行校准操作。在该面板上还设置了电源开关，用于控制数字表、高频电容测试仪、单片机等的电源通断，方便操作人员在该面板上进行相应的手动控制。
本实施例所述电容电压特性测试仪的测试方法，包括以下步骤：
(1)初始阶段：开启主控制器电源和可编程稳压电源，将待测二极管夹在测试样品台两端电极上，两端电极分别标注“+”、“-”，待测二极管的正极夹于“+”上，负极夹在“-”上，并使接触良好。
在主控制器上设定相应的偏压测试范围、电压步进值。这里可控制可编程电源按照最小步进值0.01V在0-100V的大范围内进行自动步进测量，也可通过主控制器的人机交互装置设置不同的步进值和步进范围进行灵活的选择性测量。
(2)测试阶段：主控制器先控制可编程稳压电源按照步进值输出正向偏压到待测二极管(进行正偏测量)，然后通过高频电容测试仪测量当前偏压下的结电容和漏电流值，通过可编程稳压电源获得当前偏压，然后结电容、漏电流值、偏压分别在电容量数字表、漏电流值数字表、偏压值数字表上显示，单片机控制系统将上述的电容量、偏压值、漏电流值发送到主控制器；持续上述过程，直到当前的偏压达到预设的正向偏压最大值。
然后，主控制器发送测量反向偏压信号到单片机控制系统，单片机控制系统控制连接的正负极切换电路自动切换方向，正负极切换电路使得加载在待测二极管上的电压成为负压。然后正负极切换电路发送信号到单片机控制系统，单片机控制系统发送极性换向信号到主控制器，主控制器控制可编程稳压电源按照步进值输出反向偏压到待测二极管(进行反偏测量)，重复上述采集、信息传递过程，直到当前的偏压达到预设的反向偏压最大值。
(3)主控制器中的存储器对数据进行保存，人机交互装置对数据进行实时显示，显示的数据包括但不限于结电容、漏电流值、偏压、得到的曲线图等。主控制器同时保存对应偏压下的二极管电容值，并对从起始电压到终极电压之间的大量C-V数据组绘制相应的C-V曲线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.对PN结进行自动测量的电容电压特性测试仪，其特征在于，包括测试样品台、可编程稳压电源、高频电容测试仪、数字表、单片机控制系统以及主控制器，测试样品台上设有用于贴紧待测二极管两端的电极，可编程稳压电源在待测二极管两端加步进的偏压，高频电容测试仪与待测二极管两端相连以测量当前偏压下的电容量和漏电流；数字表包括电容量数字表、偏压值数字表和漏电流值数字表，三者的输出端均与单片机控制系统的输入端相连，漏电流值数字表的输入端、电容量数字表的输入端均与高频电容测试仪的输出端相连，偏压值数字表的输入端与可编程稳压电源相连；单片机控制系统、可编程稳压电源分别与主控制器相连，主控制器上设有人机交互装置。
2.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述电容电压特性测试仪中还设有一正负极切换电路，该电路输入端与单片机控制系统相连，输出端与测试样品台连接。
3.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述电容量数字表的通讯方式为8421BCD码，所述偏压值数字表和漏电流值数字表均带有串行通讯接口，通讯方式为RS485串口。
4.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述可编程稳压电源是通过RS232串口与主控制器相连。
5.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述单片机控制系统通过RS232串口与主控制器连接。
6.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述主控制器还与一打印机相连。
7.根据权利要求1所述的电容电压特性测试仪，其特征在于，所述高频电容测试仪采用1MHz电容测试仪；
在电容电压特性测试仪中还包括一终端面板，所述数字表的显示端均固定在该面板上；
所述终端面板上设有若干个测试端端口，端口分别与可编程稳压电源、高频电容测试仪相连，测试样品台在测试时直接固定在上述测试端端口上。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述电容电压特性测试仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：主控制器控制可编程稳压电源在设定的范围内，按照设定的步进值自动从低到高依次输出偏压，并将输出的偏压加到待测二极管上，实时采集该偏压下待测二极管上的电容量、偏压值、漏电流值，并通过单片机控制系统上传到主控制器，主控制器对数据进行显示、保存、处理、绘图。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，包括步骤：
(1)初始阶段：开启主控制器电源和可编程稳压电源，将待测二极管夹在测试样品台两端电极上，两端电极分别标注“+”、“-”，待测二极管的正极夹于“+”上，负极夹在“-”上，并使接触良好；
在主控制器上设定相应的偏压测试范围、电压步进值；
(2)测试阶段：主控制器先控制可编程稳压电源按照步进值输出正向偏压到待测二极管，然后通过高频电容测试仪测量当前偏压下的结电容和漏电流值，通过可编程稳压电源获得当前偏压，然后结电容、漏电流值、偏压分别在电容量数字表、漏电流值数字表、偏压值数字表上显示，单片机控制系统将上述的电容量、偏压值、漏电流值发送到主控制器；持续上述过程，直到当前的偏压达到预设的正向偏压最大值；
然后，主控制器控制可编程稳压电源按照步进值输出反向偏压到待测二极管，重复上述采集、信息传递过程，直到当前的偏压达到预设的反向偏压最大值；
(3)主控制器中的存储器对数据进行保存，人机交互装置对数据进行实时显示，同时，根据获得的起始电压到终极电压之间的二极管电容值-电压数据，绘制曲线图。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，步骤(2)中，在当前的偏压达到预设的正向偏压最大值时，主控制器发送测量反向偏压信号到单片机控制系统，单片机控制系统控制连接的正负极切换电路自动切换方向，正负极切换电路与测试样品台连接，使得加载在待测二极管上的电压成为负压。
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