量測可變電容之 C-V 曲線

在量測完實際Colpitts電路輸入端的S11 以及S11 相位等，接下來便是量測VCO 電路中另一個LC-tank電路中的可變電容。在本論文實驗所使用的可變電容有 2 種：一種是Al/HfO2/Si電容；另外一種是飛利浦（Philips）所提供可變電容為BB135 型號的P-N接面電容。可變電容有兩種，一種是Al/HfO2/Si電容，其結構是MIS (Metal Insulator Silicon)、直徑為 350um，而HfO2厚度是20nm，另一種P-N接面電容的面 積為 280x280（um²）。所使用的Keithley-590 型號之儀器只能用 100 KHz來對 Al/HfO2/Si以及飛利浦(Philips) 提供的可變電容為BB135 型號的P-N接面電容量測 2 種可變電容的C-V特性曲線，量測條件為Al/HfO2/Si可變電容所量測的電壓從 -10V~+10V，因為P-N接面電容（BB135）是使用在逆偏電壓區，所量測的電壓從 0V~+10V，分別量測 2 種可變電容之電容值對應到偏壓電壓曲線如Fig. 4-7。

Fig. 4-7 在 100 kHz下分別量測Al/HfO2/Si電容以及型號為BB135 之P-N接面電容的 C-V曲線圖。

由Fig. 4-7可看出Al/HfO2/Si的C-V曲線確實是有三種操作情況：分別是堆積區 域（Accumulation region）、空乏區域（Depletion region）以及反轉區域（Inversion region），分別在第二章的 2.6 節提到此一變化。但因為飛利浦(Philips)所提供的型 號為BB135 是P-N接面電容，如果是順偏的情形會造成洩逸電流過大，所以要操作 在逆偏條件，使其作用在逆偏情形下所量測之電容值。Al/HfO2/Si以及P-N接面之 可變電容分別是在-10V到+10V以及 0V到+10V所量測到電容值對應到其所偏壓電 壓所作的曲線圖，如Fig. 4-7。雖然我們知道在此三種操作情形下要視材料、製程 而定。但Fig. 4-7 中Al/HfO2/Si 可看出在Accumulation區間，其偏壓電壓為-10V到 -4V，所量測到的電容值都維持在 94.7pF附近，接近一定值。那是因為半導體之中 的HfO2—在半導體界面處衍生出一層電洞堆積層，跨壓MIS電容器結構上的電壓有 一細小微變化改變將會造成金屬電極上的電荷，以及電洞堆積的電荷的一個微改 變。如同平行板電容器一般，電荷密度的微改變是發生在HfO2的邊緣處，可參考 第二章 2.6 節。然而Al/HfO2/Si操作在Depletion情況下，其偏壓電壓為-4V到-2V，

所測量到的電容值分別為94.7pF以及 5.9pF，呈現一個電容劇烈下降的趨勢。其原 因為半導體之中衍生出一個空間電荷區域，整個元件的電荷分佈，其HfO2電容及 空乏區電容是互相串聯的。跨降在電容器上的電壓，其一個細小微改變將會造成 空間電荷寬度的一個微改變，可參考第二章 2.6 節。Al/HfO2/Si操作在Inversion情 況下，其偏壓電壓為-2V到+10V，其所量測到的電容值都在 5.9pF到 2.9pF之間。

雖然我們知道在理想的狀況之下，跨降在Al/HfO2/Si電容器之上的電壓，其一個微 增量改變將會造成反轉層電荷密度的一個微改變。但空間電荷的寬度並不會改 變。但因為頻率的效應關係，使得Al/HfO2/Si電容器在Inversion操作情況並不會跟 Accumulation操作情況一樣，其所量測到的電容值跟Depletion操作情況之空間電荷 寬度達到最大時之電容值維持差不多，可參考第二章 2.6 節。然而飛利浦(Philips) 所提供的型號為BB135 之P-N接面電容僅能操作在逆偏電壓下才可量測到電容 值；偏壓電壓由0V到+10V，量測的頻率為 100KHz，其所量到的電容值由 23.3 pF 隨著偏壓電壓的增加而下降至4.96 pF。再來比較這兩個可變電容，Al/HfO /Si以及

型號為BB135 之P-N接面電容其所能調變的比例(CMax / CMin)分別為 49.8 及 4.7。由 此可知Al/HfO2/Si在電容調變的比例比型號為BB135 之P-N接面電容要來的大。也 是Al/HfO2/Si可變電容希望使用在此電容調變範圍大的偏壓電壓來用作VCO的元 件之ㄧ。

然而Fig. 4-8是Al/HfO2/Si以及型號為BB135 之P-N接面電容單位電容值對應的 偏壓電壓，而Al/HfO2/Si的直徑為 350um，而HfO2厚度是0.02um。由Fig. 4-8可看 出在Al/HfO2/Si的上下電極不可顛倒，由上電極至下電極的電壓定義為正，如此可 知在負電壓範圍為-4 V~0 V，可看出其單位電容值有明顯地變化，在偏壓為 -10V~-4V與-2V~10V都維持近一單位電容值，分別約 9.8~9.5 [F/(cm)²]及 0.3~0.2 [F/(cm)²]。然而在偏壓電壓為-4V~-2V其單位電容值大約從 9.3 [F/(cm)²]及 0.3 [F/(cm)²]，是一個單位電容劇烈變化的電場區域。而Fig. 4-9是由飛利浦(Philips)廠 商所提供的電容值對應其偏壓電壓，量測的頻率是 1MHz；所呈現的數值與用 Keithley-590 型號的儀器所量測到的值相似。

Fig. 4-8 Al/HfO2/Si and BB135(P-N junction)之單位面積電容與偏壓電壓圖。

Fig. 4-9 用 1 MHz 來量測在逆偏作用區之 P-N 接面電容（BB135, Philips)的電 容與偏壓電壓圖。