本發(fā)明涉及半導體器件測試研究領域，特別涉及一種針對PN結進行自動測量的電容電壓特性測試儀及其測試方法。

背景技術：

PN結是半導體器件的基礎單元，由于PN結本身是一個勢壘區(qū)，存在勢壘電容，加正向偏壓時，PN結勢壘區(qū)變窄，結電容變大；加反向偏壓時，PN結勢壘區(qū)變寬，結電容變小。結電容C＝Q/V，其中Q為結區(qū)電荷，V為電壓。電荷量Q是由電離雜質(施主或受主)形成的，因此Q值與雜質濃度相關，通過測量二極管電容和電壓之間的關系可以得到器件內部雜質濃度隨深度的變化情況，這是研究器件特性的重要手段。

目前普遍使用的電容電壓特性測試儀，是用人工手動調節(jié)PN結的偏壓，并記錄相應的偏壓值、電容量、漏電流值，測試數(shù)據(jù)量大，耗時長，記錄完所有的測試數(shù)據(jù)后，還需要對所有數(shù)據(jù)進行處理以及繪圖。另外，由于人工手動調節(jié)，其測試速度和測試密度均無法得到保證，只能大致進行測量，所得結果不夠精確。

因此，需要一種對PN結進行自動測量的電容電壓特性測試儀及其測試方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種對PN結進行自動測量的電容電壓特性測試儀，該測試儀通過可編程穩(wěn)壓電源對待測二極管加步進偏壓，并可從正偏壓自動切換為負偏壓，通過實時采集當前的電容量、偏壓值、漏電流值，可以實現(xiàn)對PN結的全自動測量，顯示、保存測量數(shù)據(jù)，并繪制曲線圖，不僅大大縮短了測量時間，而且測量結果更加精確。

本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于上述測試儀的測試方法，該方法能夠全自動控制PN結電容電壓特性的整個測量過程，實現(xiàn)快速、精確測量。

本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)：對PN結進行自動測量的電容電壓特性測試儀，包括測試樣品臺、可編程穩(wěn)壓電源、高頻電容測試儀、數(shù)字表、單片機控制系統(tǒng)以及主控制器，測試樣品臺上設有用于貼緊待測二極管兩端的電極，可編程穩(wěn)壓電源在待測二極管兩端加步進的偏壓，高頻電容測試儀與待測二極管兩端相連以測量當前偏壓下的電容量和漏電流；數(shù)字表包括電容量數(shù)字表、偏壓值數(shù)字表和漏電流值數(shù)字表，三者的輸出端均與單片機控制系統(tǒng)的輸入端相連，漏電流值數(shù)字表的輸入端、電容量數(shù)字表的輸入端均與高頻電容測試儀的輸出端相連，偏壓值數(shù)字表的輸入端與可編程穩(wěn)壓電源相連；單片機控制系統(tǒng)、可編程穩(wěn)壓電源分別與主控制器相連，主控制器上設有人機交互裝置。本發(fā)明通過在人機交互裝置上設定可編程穩(wěn)壓電源的步進值、步進范圍等參數(shù)，即可實時采集到當前的電容量、偏壓值、漏電流值，并予以顯示，具有自動化程度高、效率高的優(yōu)點。

優(yōu)選的，所述電容電壓特性測試儀中還設有一正負極切換電路，該電路輸入端與單片機控制系統(tǒng)相連，輸出端與測試樣品臺連接。通過該電路可實現(xiàn)自動切換加載在待測二極管兩端的電壓極性。

優(yōu)選的，所述電容量數(shù)字表的通訊方式為8421BCD碼，所述偏壓值數(shù)字表和漏電流值數(shù)字表均帶有串行通訊接口，通訊方式為RS485串口。

優(yōu)選的，所述可編程穩(wěn)壓電源是通過RS232串口與主控制器相連。

優(yōu)選的，所述單片機控制系統(tǒng)通過RS232串口與主控制器連接。

優(yōu)選的，所述主控制器還與一打印機相連。用于對所得數(shù)據(jù)處理結果、繪制的曲線圖等進行打印輸出。

優(yōu)選的，所述高頻電容測試儀采用1MHz電容測試儀。在電容測試儀領域，100KHz(不包括100K)以上屬于高頻，100KHz以下屬于低頻。

優(yōu)選的，在電容電壓特性測試儀中還包括一終端面板，所述數(shù)字表的顯示端均固定在該面板上。從而實時采集的參數(shù)值可集中顯示，便于現(xiàn)場觀測。

更進一步的，所述終端面板上設有若干個測試端端口，端口分別與可編程穩(wěn)壓電源、高頻電容測試儀相連，測試樣品臺在測試時直接固定在上述測試端端口上。從而使測試儀終端設備集成化程度更高。

一種基于上述電容電壓特性測試儀的測試方法，包括以下步驟：主控制器控制可編程穩(wěn)壓電源在設定的范圍內，按照設定的步進值自動從低到高依次輸出偏壓，并將輸出的偏壓加到待測二極管上，實時采集該偏壓下待測二極管上的電容量、偏壓值、漏電流值，并通過單片機控制系統(tǒng)上傳到主控制器，主控制器對數(shù)據(jù)進行顯示、保存、處理、繪圖。

具體的，包括步驟：

(1)初始階段：開啟主控制器電源和可編程穩(wěn)壓電源，將待測二極管夾在測試樣品臺兩端電極上，兩端電極分別標注“+”、“-”，待測二極管的正極夾于“+”上，負極夾在“-”上，并使接觸良好；

在主控制器上設定相應的偏壓測試范圍、電壓步進值；

(2)測試階段：主控制器先控制可編程穩(wěn)壓電源按照步進值輸出正向偏壓到待測二極管，然后通過高頻電容測試儀測量當前偏壓下的結電容和漏電流值，通過可編程穩(wěn)壓電源獲得當前偏壓，然后結電容、漏電流值、偏壓分別在電容量數(shù)字表、漏電流值數(shù)字表、偏壓值數(shù)字表上顯示，單片機控制系統(tǒng)將上述的電容量、偏壓值、漏電流值發(fā)送到主控制器；持續(xù)上述過程，直到當前的偏壓達到預設的正向偏壓最大值；

然后，主控制器控制可編程穩(wěn)壓電源按照步進值輸出反向偏壓到待測二極管，重復上述采集、信息傳遞過程，直到當前的偏壓達到預設的反向偏壓最大值；

(3)主控制器中的存儲器對數(shù)據(jù)進行保存，人機交互裝置對數(shù)據(jù)進行實時顯示，同時，根據(jù)獲得的起始電壓到終極電壓之間的二極管電容值-電壓數(shù)據(jù)，繪制曲線圖。

優(yōu)選的，步驟(2)中，在當前的偏壓達到預設的正向偏壓最大值時，主控制器發(fā)送測量反向偏壓信號到單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)控制連接的正負極切換電路自動切換方向，正負極切換電路與測試樣品臺連接，使得加載在待測二極管上的電壓成為負壓。從而可免去手動更換測試樣品所夾方向，使測量更加連續(xù)，快捷。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、目前國內現(xiàn)有的電容電壓特性測試儀，只能用手工調節(jié)的方式進行測量，并需要記錄大量數(shù)據(jù)，并對大量數(shù)據(jù)進行分析，工作效率低。本發(fā)明通過采用可編程穩(wěn)壓電源，結合單片機、主控制器，可自動按照設置的步進值和步進范圍進行測量并繪制曲線，并自動顯示、保存、分析測試數(shù)據(jù)，大大提高了工作效率，而且可以選擇不同步進值對測試樣品進行對比測量，也可對測試樣品進行密度更大的測量，而這些都是手動測量需要花費大量時間才能夠完成的。本發(fā)明使半導體器件行業(yè)對型號器件的PN結可以進行快速測量，使高等院校和科研機構提高了研發(fā)進度。

2、本發(fā)明中的主控制器可對測試數(shù)據(jù)進行保存及導出，可隨時查詢歷史數(shù)據(jù)，導出分析曲線圖，測量參數(shù)可按用戶測量要求進行設置，更加靈活化、人性化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測試原理示意圖。

圖2是本發(fā)明終端面板外觀示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

如圖1所示，本實施例對PN結進行自動測量的電容電壓特性測試儀，包括測試樣品臺、可編程穩(wěn)壓電源、高頻電容測試儀、數(shù)字表、單片機控制系統(tǒng)、終端面板以及主控制器。終端面板的外觀示意圖參見圖2，數(shù)字表的顯示端均固定在該面板上。下面對各個部分進行具體說明。

在實際應用中，測試樣品臺可單獨設置，也可以直接置于高頻電容測試儀上。在測試樣品臺上設有兩個電極，電極分別標注“+”、“-”，在測試時，待測二極管的正極、負極分別與上述兩個電極接觸良好，可以采用夾具進行夾緊等方式實現(xiàn)。測試樣品臺單獨設置時，可以直接連入圖2所示終端面板上的測試端，測試完畢，則將測試樣品臺從上述測試端拔下。

本實施例中，可編程穩(wěn)壓電源一端通過RS232串口與主控制器相連，另一端通過電線與測試樣品臺上的兩個電極相連?？删幊谭€(wěn)壓電源在主控制器的控制下，按照一定時間間隔、按照設定的步進值自動從低到高調節(jié)輸出電壓，并將相應的電壓加到待測二極管兩端，隨著所加電壓的數(shù)值不斷變化，待測二極管的電容量也隨之改變。在進行加壓過程中，將當前的電壓值(即偏壓值)發(fā)送到偏壓值數(shù)字表。

本實施例中，高頻電容測試儀的輸入端與待測二極管兩端相連，用于測量當前偏壓下的電容量和漏電流，其輸出端分別與漏電流值數(shù)字表的輸入端、電容量數(shù)字表的輸入端相連。

本實施例中，數(shù)字表具體包括電容量數(shù)字表、偏壓值數(shù)字表和漏電流值數(shù)字表，電容量數(shù)字表通過8421BCD碼與單片機控制系統(tǒng)進行通訊連接，偏壓值數(shù)字表和漏電流值數(shù)字表通過RS485串口與單片機控制系統(tǒng)進行通訊連接。漏電流值數(shù)字表的輸入端、電容量數(shù)字表的輸入端均與高頻電容測試儀的輸出端相連，偏壓值數(shù)字表的輸入端與可編程穩(wěn)壓電源相連。

本實施例中，單片機控制系統(tǒng)通過RS232串口與主控制器相連，用于將不同偏壓下各數(shù)字表的測試結果傳輸給主控制器。

另外，在電容電壓特性測試儀中還設有一正負極切換電路，該電路分別與單片機控制系統(tǒng)和測試樣品臺相連。單片機控制其適時切換測試樣品臺上加載在待測二極管兩端的電壓極性，切換完畢后單片機通知主控制器繼續(xù)負極測量。

本實施例中，主控制器包括儲存模塊、處理模塊、人機交互裝置等等，單片機根據(jù)與主控制器擬定的通訊協(xié)議將轉換的數(shù)字表信號發(fā)送給主控制器；主控制器進行數(shù)據(jù)顯示、保存，數(shù)據(jù)處理、分析、繪圖，通過所連接的顯示器顯示，進行人機交互工作。另外主控制器還與一打印機相連，可對導出的數(shù)據(jù)、曲線圖進行打印操作。

如圖2所示，在本實施例所述終端面板上，數(shù)字表都在此界面上，分別顯示電容量、偏壓值、漏電流值?！皽y試端”為測試樣品臺連接處，將測試樣品臺與“測試端”下面的四個接口相接，可以實現(xiàn)對待測樣品加偏壓并且測量其電容量和漏電流值，此外，測試前可通過該界面對儀器進行校準操作。在該面板上還設置了電源開關，用于控制數(shù)字表、高頻電容測試儀、單片機等的電源通斷，方便操作人員在該面板上進行相應的手動控制。

本實施例所述電容電壓特性測試儀的測試方法，包括以下步驟：

(1)初始階段：開啟主控制器電源和可編程穩(wěn)壓電源，將待測二極管夾在測試樣品臺兩端電極上，兩端電極分別標注“+”、“-”，待測二極管的正極夾于“+”上，負極夾在“-”上，并使接觸良好。

在主控制器上設定相應的偏壓測試范圍、電壓步進值。這里可控制可編程電源按照最小步進值0.01V在0-100V的大范圍內進行自動步進測量，也可通過主控制器的人機交互裝置設置不同的步進值和步進范圍進行靈活的選擇性測量。

(2)測試階段：主控制器先控制可編程穩(wěn)壓電源按照步進值輸出正向偏壓到待測二極管(進行正偏測量)，然后通過高頻電容測試儀測量當前偏壓下的結電容和漏電流值，通過可編程穩(wěn)壓電源獲得當前偏壓，然后結電容、漏電流值、偏壓分別在電容量數(shù)字表、漏電流值數(shù)字表、偏壓值數(shù)字表上顯示，單片機控制系統(tǒng)將上述的電容量、偏壓值、漏電流值發(fā)送到主控制器；持續(xù)上述過程，直到當前的偏壓達到預設的正向偏壓最大值。

然后，主控制器發(fā)送測量反向偏壓信號到單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)控制連接的正負極切換電路自動切換方向，正負極切換電路使得加載在待測二極管上的電壓成為負壓。然后正負極切換電路發(fā)送信號到單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)發(fā)送極性換向信號到主控制器，主控制器控制可編程穩(wěn)壓電源按照步進值輸出反向偏壓到待測二極管(進行反偏測量)，重復上述采集、信息傳遞過程，直到當前的偏壓達到預設的反向偏壓最大值。

(3)主控制器中的存儲器對數(shù)據(jù)進行保存，人機交互裝置對數(shù)據(jù)進行實時顯示，顯示的數(shù)據(jù)包括但不限于結電容、漏電流值、偏壓、得到的曲線圖等。主控制器同時保存對應偏壓下的二極管電容值，并對從起始電壓到終極電壓之間的大量C-V數(shù)據(jù)組繪制相應的C-V曲線。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。