Caractérisation électrique

moyens techniques et équipements

 

La plateforme Caractérisation électrique dispose des équipements suivants :

site web cime

 

Pour la mesure des courants continus et transitoires

  • deux « pA Meter/DC Voltage Source » (HP 4140B DC), qui sont principalement utilisés pour réaliser des mesures CV dites quasi statiques,
  • quatre « Semiconductor Parameter Analyzer » (deux HP 4155 A, un HP 4155 B, un Keithley 4200), ainsi que les stations sous pointes correspondantes pour les mesures sur substrat silicium directement.

 

Pour la mesure des courants alternatifs basses fréquences

  • trois « LCR meter » (2 HP 4275 A et un Agilent E 4980), qui sont principalement utilisés pour réaliser des mesures CV en régime alternatif.

Dans la suite, nous détaillons les caractéristiques principales des instruments de mesure disponible au CIME Nanotech, indiquant également les principes généraux de leur utilisation au CIME Nanotech. Pour chaque appareil, il est possible de télécharger des fichiers fournis par le constructeur, afin d’obtenir plus d’information.

 

Semiconductor Parameter Analyzer (deux HP 4155A et un HP 4155 B)

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Les HP 4155 sont équipés de :

  • quatre entrées – sorties principales dites SMU (Source Monitor Unit) qui permettent d’imposer un courant ou une tension, et d’en mesurer la grandeur complémentaire. La tension maximale que l’on peut imposer est de 100 V (pour un courant n’excédant pas 20 mA), le courant maximal est 100 mA (pour une tension n’excédant pas 20 V). En ce qui concerne la résolution, on peut détecter dans le meilleur des cas des courants allant jusqu’à 10 fA ± 3 pA, et des tensions allant jusqu’à 10 µV ± 700 µV. En pratique, pour les mesures réalisées au CIME, la résolution n’est pas tellement limitée par l’appareil lui même mais par le câblage avec la station sous pointe (source de résistance série et de bruit). Nous avons plutôt mesuré une résolution en courant de quelques centaines de fA. Il existe des SMU ayant des meilleures résolutions et précisions, notamment sur les HP 4156 (détection de courant allant jusqu’à 1 fA ± 20 fA, et de tension 2 µV ± 200 µV) ainsi que des SMU prévues pour un fonctionnement haute puissance (Tension imposée maximale de 200 V pour un courant de 50 mA, Courant maximal imposé de 1 A pour une tension de 20 V).
  • deux sources de tension externes dites VSU (Voltage Source Unit), qui permettent d’appliquer des tensions comprises entre ± 20 V, avec une valeur minimale de 1 mV ± 10 mV.
  • deux unités de mesure de tension externe dites VMU (Voltage Monitor Unit), qui permettent de mesurer des tensions comprises entre ± 20 V, avec une valeur minimale de 2 µV ± 200 µV.

 

Mesure en transitoire : (Sampling)
En mode sampling, on peut également mesurer des courants et tensions en fonction du temps, sur 10 000 points de mesure maximum. La résolution dans le temps peut descendre à 20 µs minimum ± 10 µs, pour une mesure n’excédant pas une durée de 480 µs.
Chaque SMU peut également être utilisée comme un générateur de signaux pulsés, avec une largeur de 0.5 ms à 100 ms ± 100 µs.

 

Le Keithley 4200

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Cet appareil, récemment acquis au CIME, est un appareil plus récent que les 4155.

Dans la configuration actuelle (sans pré ampli), il offre une résolution comparable au 4155. Néanmoins, en mettant en place des pré-amplificateurs juste après les pointes, il est possible d'atteindre des résolutions supérieurse (environ 100 fA).

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Contrairement aux 4155, il dispose d'une interface windows, de deux ports USB, avec la possibilité d'importer des images et graphiques. Cela contribue à améliorer le confort d'utilisation des appareils, ainsi que de former les étudiants sur des instruments plus actuels.

 

« pA Meter/DC Voltage Source » (HP 4140B DC)

 

Ancêtre des HP 4155, cet appareil permet de mesurer des courants compris entre 1 fA ± 1 pA et 20 mA, et d’appliquer des tensions sur une gamme de ± 100 V, avec une résolution de 10 mV. En outre, on peut appliquer des rampes de tensions de différentes formes, dans la gamme de 1 mV /s jusqu’à 1 V /s. Le courant peut alors être mesuré sur 4 ms minimum.
Au CIME Nanotech, les deux HP 4140B sont essentiellement utilisés pour mesurer les C-V en mode quasi statique, c’est à dire en mesurant le courant transitoire traversant la capacité soumise à une rampe de tension. (C » I / dV/ dt), permettant de mesurer des capacités dans la gamme 1 pF à 2 nF.

 

« LCR meter » (HP 4275 A)

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Le LCR meter est un appareil de mesure d’impédance dans la gamme des basses fréquences. Le HP 4275 A permet de mesurer des impédances d’amplitude comprise entre 100 mW et 10 MW et de phase comprise entre ± 10-3° et ± 180.000°, pour les 10 valeurs de fréquence suivante (± 0.01 %) : 10 kHz, 20 kHz, 40 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 400 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz et 10 MHz. Pour ce faire, une tension alternative est appliquée à l’impédance, dont l’amplitude (appelée niveau d’oscillateur) peut être comprise entre 1 mV et 1 V (en valeur efficace).
En outre, il permet de polariser en continu simultanément le dispositif mesuré, afin de mesurer des impédances en fonction de la tension appliquée.
Au CIME Nanotech, les LCR meter sont principalement utilisés pour mesurer les caractéristiques C-V des capacités MOS ou des jonctions pn. Puisque le LCR mesure une impédance, et pas spécifiquement une capacité, une extraction doit être pratiquée à partir de l’impédance mesurée pour obtenir une valeur de la capacité. Pour ce faire, le LCR meter peut délivrer les résultats de mesure sous différentes formes C-G, C-R, C-D (supposée en série ou en parallèle). Pour donner un exemple, en mode C-G parallèle, au lieu de délivrer l’amplitude et la phase de l’impédance Z qu’il mesure, l’appareil délivre C - G tel que :

moyens techniques
présupposant en quelque sorte que l’impédance mesurée soit constituée d’une conductance G en parallèle avec une capacité C.

 

Cette simple constatation a plusieurs conséquences :

  • Premièrement, la précision de la mesure de la capacité ne sera pas la même suivant la fréquence de mesure. En effet, supposons être dans le cas où le dispositif mesuré est bien constitué d’une seule capacité Z= 1/jCw, puisque le LCR permet de mesurer des impédances comprises entre 100 mW et 20 MW, à une fréquence de 10 kHz, il ne sera possible que de mesurer une capacité comprise entre 100 µF et 1 pF, alors qu’à 10 MHz, il sera possible de mesurer des capacités comprises entre 0.1 µF et 1 fF. Globalement, la résolution de l’appareil en terme de capacité se situe donc entre 1 fF et 100 µF.
  • Deuxièmement, puisque l’appareil mesure effectivement l’amplitude et la phase d’une impédance, il ne sera pas toujours possible de mesurer avec précision chacun des éléments du circuit équivalent utilisé. En effet, si G >> Cw par exemple, puisque tan j = - Cw / G, l’appareil ne pourra pas mesurer la phase avec précision, et donc la partie imaginaire dans ce cas. C’est pour quoi, on dit que la mesure de la capacité en mode parallèle avec précision n’est possible que si le facteur de dissipation D = Cw / G est petit devant 1.
  • Troisièmement, la réalité physique est souvent plus complexe que les schémas équivalents proposés par l’appareil. En effet, une simple capacité par exemple contient une résistance d’accès, des fuites dans le diélectriques, une partie inductive etc … Il faut donc parfois procéder à des extractions pour remonter des valeurs mesurées C-G aux vraies grandeurs physiques, et cela à partir de la dépendance en fréquence.

 

Enfin, le HP 4275 A n’étant pas spécifiquement conçu pour faire des mesures C-V, mais des mesures d’impédance, il faut également un logiciel pour piloter la mesure, afin de faire mesurer l’appareil pour une gamme de tension (et ou de fréquence). Plusieurs logiciels sont disponibles au CIME dans ce but.

 

 

« LCR meter » (Agilent E 4980)

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Le E 4980 est un LCR meter plus récent et plus performant que les 4275. Il permet notament de réaliser des mesures plus précises et plus rapides (en temp d'intégration "rapide", une mesure demande 5.6 ms).

En outre, contrairement aux 4275 qui offrent seulement 8 valeurs de fréquences de mesure possibles, le 4980 dispose de 200 fréquences de mesure dans la gamme 20 Hz - 2 MHz. Ceci permet de tracer non seulement les parties réelles et imaginaires de l'impédance mesurée en fonction de la tension appliquée, mais également en fonction de la fréquence de mesure, ce qui offre de nouvelles possibilités.

Au CIME, les deux LCR meters (49 80 et 4275) sont pilotés par le même logitiel. Il n'est donc pas plus difficile pour l'utilisateur d'utiliser l'un ou l'autre des appareils. 

 

 

 

 

 

 

 

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