交流阻抗电容计以及交流阻抗参数的测量方法

交流阻抗表[1]，也称为LCR表[2]（电感[L]、电容[C]、电阻[R]），利用一个自动平衡电桥保持电容的检测端交流假接地，从而测量复阻抗。这类电表通常的频率范围为1kHz到10MHz。


交流电源、交流伏特计、交流安培计
图1.交流阻抗表
这类电表（如图1所示）工作原理相对简单。它通过在高电流输出端（HCUR）施加一个交流电压来测量交流阻抗[3]。通过低电流端（LCUR）测量流过器件的电流，通过高低电位端（HPOT和LPOT）测量器件上的电压降。电压和电流的测量采用了能够精确判断二者之间相位角的锁相方式[4]。通过测量幅值和相位角，就可以计算出任意所需的交流阻抗参数。

其中： Z=阻抗 θ=相位角 R=电阻 X=电抗 Y=导纳 G=电导 B=电纳

 

 
Z、θ ——阻抗与相位角
R+jX ——电阻与电抗
Cp-Gp ——并联电容和电导
Cs-Rs ——串联电容和电阻
Cp-D ——并联电容和耗散因子
Cs-D ——串联电容和耗散因子
图2. 基本的交流阻抗参数
 
要得到基本交流阻抗参数就必须测量阻抗的幅值，在图2中表示为“Z”。还需要测量电流和电压之间的相位角，表示为θ。因此，在极坐标方式下，这一阻抗就是相角为θ的Z。但我们还可以从数学上将其转化为直角坐标的形式，即表示为R+jX。其中R是实数部分，即同相阻抗矢量，jX是虚数部分，即相位阻抗矢量偏转90°，它也是电容矢量。我们甚至可以从数学上将极坐标和直角坐标形式转化为实际的电容和电阻值。
有两种常用的交流阻抗模型：并联模型和串联模型。在并联模型中，结果表示为并联电容（Cp）和并联电导（Gp）。在串联模型中，结果表示为串联电容（Cs）和串联电阻（Rs）。耗散因子（D），即实阻抗与虚阻抗的比值，是从数学上推导出的另外一个常用参数。当测量晶圆上的电容时，我们通常要看耗散因子，因为它是判断最终C-V测量质量的最佳指标。无论采用哪种交流阻抗模型，耗散因子都很容易计算出来。