1.简介

电容丈量广泛用于半导体表征，如光伏（PV）电池。例如，用电容丈量来确认掺杂浓度。在EC Lab®和EC Lab®Express软件中，能够直接制作电容（直接指无需任何后期处理）。电容可经过一切电化学阻抗谱（EIS）技能取得，即电位EIS（PEIS）、电流EIS（GEIS）、阶梯PEIS（SPEIS）、阶梯GEIS（SGEIS），“Wait”技能答使用户盯梢Z的模量与时刻的联络（PEISW技能）。

依据料想的模型电路，核算两种类型的电容，Cs或Cp。电容Cs对应于R+C（串联）电路的电容，Cp对应于R/C（并联）电路的电容（图1）。

图1电容曲线的两种等效电路

本文演示了怎么制作电容与电压（C-V）曲线。首要，以可变电容器作为试验模型体系，展现了制作电容的不同选项。评论了电路模型的挑选，并将Z Fit拟合的电容值与该技能直接可用的电容值进行了比较。其次，描绘了光伏电池的典型C-V特性。

2.试验条件

运用装备超低电流选项的SP-200或SP-300和EC Lab®软件进行研讨。关于这两个体系（即varia电容器和光伏电池），选用规范的双电极衔接进行了研讨。

可变电容器的特性如下所述：

− 低压可变电容双二极管（NXP的BB201）。

− 在0.5至11V的电压规模内，电容在10至120 pF的规模内。

光伏电池的C-V特性是在一个由150 W氙灯（由ALX-150电源供电的MOS-200光源）照耀的电池上进行的。

3.可变电容器的研讨

3.1R/C或R+C等效电路？

为了在R/C或R+C中挑选适宜的等效电路，需要在较宽的频率规模（即3 MHz至1 mHz）上进行EIS丈量。设置如图2所示。

图2 EIS丈量的参数设置

EIS丈量成果为半圆（图3），因而C-V研讨考虑R/C模型（Cp变量）。R和C的拟合值别离为70欧姆和145 pF（图4）。

图3可变电容器的Nyquist图

图4 Z fit进程的数值

3.2C-V研讨

选用了两种SPEIS技能。一个在7 MHz到1 Hz的频率规模内（设置如图5所示），另一个在一个频率下（设置与图5所示相似，fi等于ff）。在323 kHz的频率下进行丈量，因为在该频率以上，可变电容器的呼应取决于频率（图6）。这些试验别离命名为SPEIS_{7MHz 1Hz}和SPEIS_323kHz。电压扫描从0 V开端，以200 mV的步长上升到10 V。

图5 SPEIS的参数设置

图6不同频率的C-V特性

SPEIS_7MHz-1Hz答使用户运用Zfit东西在不同频率下拟合电容值C1（频率挑选窗口如图7所示）。图8中的C1与试验中现已核算的Cp值进行了比较。C1和Cp在低电压下的值约为140 pF，在高电压下的值约为20 pF。因而，比较标明，用Zfit核算的C1和直接在EIS技能中确认的Cp是相同的。

这些值与可变电容器数据表中描绘的标准共同。

此外，SPEIS_7MHz-1Hz和SPEIS_323kHz别离继续6200秒和150秒。因而，以一个频率履行SPEIS能够节省时刻。

图7频率挑选

图8可变电容器的半对数C-V曲线

（蓝色-SPEIS_323kHz；绿色-SPEIS_7MHz-1Hz拟合值；赤色-SPEIS_7MHz-1Hz）

4.光伏电池的C-V曲线

关于光伏电池特性，电压在3-7.5 V之间扫描，信号频率为100 kHz（图9）。依据曾经的研讨，考虑了R/C模型。所以制作了Cp vs V曲线（图10）。

图9光伏电池的C-V曲线参数设置

C-V曲线显现了3个区域：

•E<4V：累积区

•4V<E<6V：耗尽区

•E>6V：反转区

可经过以下联络确认掺杂浓度N：

其间e是电子电荷（1.60 x 10^-19C），ε₀是半导体介电常数（硅为1.03 x 10^-12F/cm）。A是光伏电池的外表，21 cm²，C是电容（F），E是电压（V）。

因为C^~2变量在可用变量列表中也可用（图1），因而也能够制作C^-2与E的联络图。该曲线的斜率引起掺杂浓度。

在这种情况下，斜率（经过线性拟合确认）为3.53 x 1015 F/V，因而掺杂浓度为1.64 x 10¹⁴cm^-3。该值与之前给出的值共同。

图10光伏电池的C-V曲线

5.定论

本文介绍了怎么在不进行任何拟合的情况下进行电容丈量。这有以下几个长处：

•快速丈量，只需一个频率即可确认Cp或Cs。不需要完好的EIS光谱。

•无后处理：无需阻抗拟合进程

•EC-Lab的图形包答应制作不同类型的图形，如对数距离的C与E、C^-2与E，乃至更多…

能够经过PEISW技能盯梢电容改变，这种技能对传感器使用也很有含义。