半导体材料电磁特性测试方法

从锗晶体管到 5G 芯片，半导体材料的每一次突破都在重塑人类科技史。

Si材料的规模化应用开启了信息时代，SiC/GaN等宽禁带材料则推动新能源革命。

这些进步的背后，材料测试技术始终扮演着 "科技眼睛" 的角色，它不仅能检测材料导电性、绝缘性等基础性能，更能揭示原子尺度的微观奥秘，成为半导体产业创新的核心驱动力。

在半导体领域，电磁特性测试如同材料的 "体检表"，能精准衡量材料的储能能力；I-V和C-V测试则像材料的 "心电图"，可以通过分析电信号变化获取载流子浓度、界面质量等关键参数。例如在芯片制造中，通过 C-V 测试可实时监控 10 纳米级栅氧化层的均匀性，确保每片晶圆的性能一致性。随着芯片制程向原子级逼近，材料测试的重要性愈发凸显。

材料测试方法概述

如前所述，材料测试的参数，主要包括直流的IV/CV特性，通常用B150xA系列半导体参数分析仪测试；电磁特性，包括介电常数，磁导率等参数。低频频段，用阻抗分析仪测试，高频频段，用网络仪配合不同的夹具来实现。需要根据不同的需求来综合考量，在选择测试方法时，需要考虑如下问题：

•频率范围

•测试参数

•测试精度

•材料特性（例如，是否均匀）

•材料的形态（例如，液体，粉末，固体，片状平面材料等）

•样品尺寸的限制

•测试方法是否对材料产生破坏

•测试方法是否接触材料

•测试温度

•成本

下面我们会分别介绍几种方案。

直流IV和CV特性的测试：

半导体材料做成的常见的四类基本器件，晶体管、二极管、电阻和电容。半导体器件的表征参数种类还是非常多的，如下图：

图：表征半导体器件的参数

半导体参数测试，包括了静态参数与动态参数测量。

静态参数测量

静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，主要包括：门极开启电压、门极击穿电压，集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流、寄生电容（输入电容、转移电容、输出电容），以及以上参数的相关特性曲线的测试。

静态参数测量，一般采用B1500A半导体参数分析来完成，对高功率模块，比如IGBT或者SiC模块，也可以采用B1505A或者B1506A来完成。

动态参数测量

随着开关频率的不断增加，器件的开关损耗超过静态损耗成为主要功耗来源，器件的动态参数也成为评估器件性能的重要参数。相对于器件的静态参数，动态参数主要表征的是器件在开启或关断瞬间的电学特性参数，其主要是寄生电阻和寄生电容在动态应用中，会引起充、放电过程，给电路实际工作带来一些限制同时也决定的器件的开关性能。

动态的测量参数，包括如下的品类：

测试 项目	参数	测试描述
开启特性	td(on), tr, ton, e(on), dv/dt, di/dt	表征器件的开启速度，最大的dv/dt和 di/dt，已经对应的损耗，这些参数用来表征器件的开启损耗
关断特性	td(off), tf, toff, e(off), dv/dt, di/dt	表征器件的关断速度，最大的dv/dt和 di/dt，以及对应的损耗，这些参数用来表征器件的关断损耗
开关特性	Id vs t, Vds, vst, Vgs vs t, Ig vs t, e vs t, Id vs Vds	时间相关的参数（Id，Vds，Vgs，Ig，钳位Vds，e）为示波器直接测试出的波形；Id vs Vds 通过示波器波形分析出
反向恢复	trr, Qrr, Err, Irr, Id vs. t	表征器件本体二极管的反向恢复特性，同时提供额外的时间信息来表征器件开和关的切换时间有多快
栅极驱动	Vg vs. Qg, (Qgs(th), Qgs(pl), Qgd)	通过双脉冲测试测量驱动电压和电流，在不同的驱动电压下测量驱动电荷，这些参数用来表征器件的驱动损耗
输出特性	Id vs. Vg, Id vs. Vd	提供功率器件的基本转换特性曲线

图：半导体典型动态参数测量

针对半导体动态参数测量，一般采用PD1500A或者PD1550A来完成，详细的介绍，可以参考文末的资料下载。

低频介电常数测量

当测试频率小于1GHz 的时候，平行板法不失为一种简单，方便，性价比高的测试方案。平行板法，在 ASTM 标准 D150 中又被叫做三端法，需要将片状被测材料夹在两个电极中或者将液体材料注入到平行板容器中从而形成一个电容器，使用阻抗分析仪测得电容的大小进而计算出材料的介电常数以及损耗等参数，如下图所示：

图：平行板法测介电常数原理

平行板法完整的方案需要利用阻抗分析仪来测量阻抗值，利用材料测试软件完成介电常数以及损耗等参数的计算和读取，并根据被测材料的不同特性来选择测试夹具。是德科技能够提供不同频率覆盖，不同被测材料特性的完整平行板法方案。

比如，当测试频率为 20Hz~30MHz 时，介电常数，片状材料，E4990A 阻抗分析仪 + 16451B平行板法测试夹具 + N1500A 材料测试软件，如下图：

图：20Hz~30MHz，片状材料，介电常数测试实物图

不同频率和类型的材料，总结如下：

测量 参数	测试 频率	材料 类型	主机	夹具	软件
介电常数	20Hz~30MHz	片状	E4990A	16451B	N1500A
		液体	E4990A	16452A(30MHz)	N1500A
	1MHz~3GHz	片状	E4991B	16453A	N1500A
磁导率	1kHz~120MHz	片状	E4990A	16454A(1GHz)	N1500A
	1MHz~3GHz		E4991B	16454A(1GHz)	N1500A

高频介电常数/磁导率测量

高频特性参数测试，通常用网络分析仪进行表征，分别有Coaxial Probe (同轴探头法)，Transmission Line (传输线法)，Free-Space (自由空间法)，Resonant Cavity  (谐振腔体法)以及Arch Reflectivity (弓形反射率法)。

1Coaxial Probe (同轴探头法)

同轴探头法可以测试表面光滑且厚度较高的片状固体材料，液体材料，粉末材料等。该测试方法利用开路式的同轴探头，测试时将探头浸入到液体或者接触光滑固体平面，高频信号将入射在探头与被测材料的接触面，在这一界面上，高频信号的反射特性 S11 将会因为材料的介电常数而发生变化，如下图所示。这时可以通过网络分析仪测得 S11，再计算出被测材料的介电常数与损耗角正切等参数。

图：同轴探头法，示意图

•频率范围：200MHz~50GHz（搭配网络分析仪）；10MHz-3GHz（搭配阻抗仪） 

•测试参数：介电常数

•样品要求：表面平整的固体，液体或者粉末材料

2Transmission Line (传输线法)

传输线法是将被测材料置于封闭传输线中，传输线可以是同轴传输线或者矩形波导。通过利用网络分析仪测试高频信号激励下传输线的反射特性 S11 和传输特性 S21，从而得到材料的介电常数以及磁导率等结果，如图：

图：Transmission Line (传输线法)示意图

•频率范围：100MHz~110GHz

•测试参数：介电常数，磁导率

•样品要求：可以进行机械加工尺寸形状的样品 (环状或者矩形块状)；表面光滑，并且两个端面与传输线的轴线垂直；样品长度和测试频率相关

3Free-Space (自由空间法)

自由空间法利用天线将微波能量聚集或者穿过被测材料，这种测试方法将被测材料置于天线之间，通过测量传输 S21 或者反射 S11 的高频信号得到材料的介电常数和磁导率，如图所示：

图：Free-Space (自由空间法)示意图

•频率范围：1GHz~330GHz

•测试参数：介电常数，磁导率

•样品要求：扁平状样品，通常低频时需要大尺寸平面，平坦，均匀，厚度已知

4Resonant Cavity (谐振腔体法)

一般对于 PCB 基板的测试，多采用谐振腔法，因为谐振腔法可以提供非常高的损耗正切测量精度，所以特别适合印刷电路板以及高分子材料的测试等。传统的谐振腔法大多都是单点频的测试。

这种测试方法利用谐振腔在加入被测材料前后的谐振频率变化以及品质因数的变化来得到材料的介电常数等参数。大部分的谐振腔测试都是遵循美国材料测试协会的标准 ASTM D2520 腔体微扰法进行测量的。

图：谐振腔体法示意图

•频率范围：不同的谐振腔测试频率不同，可以覆盖 1.1G~80GHz 之间的标志性频点（一个谐振腔对应一个频点）；多频点谐振腔可以覆盖 10G~110GHz 频率范围

•测试参数：介电常数

•样品要求：片状，且厚度均匀已知

5弓形反射率法

弓形反射率法是利用矢网测出被测材料的S21，进而得到材料在不同角度的反射率，如下图：

图：弓形反射率法

总结

是德科技提供多种多样的材料测试整体解决方案，包括测试仪表，夹具以及软件，可以覆盖固体，液体，粉末，薄膜材料，磁环等的测试需求，针对不同的频率和材料性质，选用不同的测试平台进行测量，如下图：

图：不同材料测试方法的总结

图：是德科技不同平台材料测试方法总结

关于是德科技

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