Khi một linh kiện SiC hay GaN phải chặn 650 V, 1200 V hoặc cao hơn, thứ quyết định tuổi thọ không phải là dòng dẫn lúc mở mà là dòng rò lúc khoá. Cùng một logic áp dụng cho lớp oxit cổng, vật liệu đóng gói, đế gốm và màng cách điện: chỉ vài pico-ampe rò thêm cũng có thể là dấu hiệu sớm của một cơ chế suy giảm sẽ giết linh kiện sau vài nghìn giờ. Nhưng đo dòng rò cao thế ở mức pico- và femto-ampe, trong khi vẫn áp 1000 V lên mẫu, là một trong những phép đo khó nhất trên bàn thí nghiệm.
Vì sao đo dòng rò cao thế là bài toán khó
Nghịch lý nằm ở chỗ hai yêu cầu chống lại nhau: bạn cần áp một điện áp rất lớn, đồng thời đo một dòng điện rất nhỏ trên cùng một mạch. Ở mức femto-ampe (10⁻¹⁵ A), những thứ hoàn toàn vô hại trong đo lường thông thường trở thành nguồn sai số lấn át tín hiệu:
- Dòng rò của chính hệ đo. Điện trở cách điện hữu hạn của cáp, đầu nối và đế đo tạo ra đường rò song song với mẫu. Ở 1000 V, một điện trở cách điện 10¹⁵ Ω cũng đã cho 1 pA.
- Hơi ẩm và nhiễm bẩn bề mặt. Một lớp ẩm mỏng trên bề mặt mẫu hoặc đồ gá tạo đường dẫn có điện trở thấp hơn nhiều so với khối vật liệu.
- Dòng triboelectric. Rung động làm biến dạng cáp, thay đổi điện dung và sinh ra dòng giả không liên quan gì đến mẫu.
- Hấp thụ điện môi (dielectric absorption). Vật liệu cách điện tích và phóng điện chậm, nên dòng đo được trôi hàng phút sau khi áp điện áp — đọc quá sớm sẽ cho kết quả sai lệch lớn.
- Nhiễu 50 Hz từ lưới điện. Ở mức femto-ampe, nhiễu dẫn từ nguồn AC có thể lớn hơn cả tín hiệu.
Không thiết bị nào loại bỏ được các nguồn sai số này một cách tự động. Chúng phải bị khống chế bằng kiến trúc thiết bị đúng và kỷ luật thực hành.
Điện kế khác gì đồng hồ vạn năng và picoammeter
Ba loại thiết bị thường bị gộp làm một, nhưng chúng khác nhau về bản chất:
Đồng hồ vạn năng (DMM) đo dòng bằng cách cho dòng chạy qua một điện trở shunt và đo sụt áp. Cách này tạo ra burden voltage — một sụt áp ký sinh làm nhiễu loạn chính mạch đang đo — và sàn nhiễu dừng ở khoảng nano-ampe. Hoàn toàn không đủ cho bài toán này.
Picoammeter dùng khuếch đại hồi tiếp để giữ điện áp đầu vào gần bằng không, gần như triệt tiêu burden voltage, và đo được xuống mức pico-ampe hoặc thấp hơn.
Điện kế (electrometer) là picoammeter cộng thêm ba năng lực: trở kháng đầu vào cực cao để đo điện áp mà không rút dòng từ mẫu, khả năng đo điện tích (coulomb), và — quan trọng nhất với bài toán này — một nguồn điện áp cao tích hợp. Có nguồn nằm chung khối với bộ đo nghĩa là đường dẫn tín hiệu ngắn nhất có thể, và thiết bị tự biết đang áp bao nhiêu vôn khi đọc bao nhiêu ampe.
Về mặt con số, thiết bị đo điện trở cao Keysight B2987C đạt độ phân giải đo nhỏ nhất 0,01 fA và đo được điện trở tới 10 PΩ (10¹⁶ Ω) khi dùng nguồn 1000 V tích hợp, với tốc độ tới 20.000 số đọc mỗi giây. Mặt máy tích hợp sẵn các khối chức năng ampe kế, vôn kế và nguồn điện áp, cùng chức năng đo điện tích — đúng bộ công cụ mà một phép đo cách điện cần.
Guarding: kỹ thuật quyết định độ chính xác
Nếu chỉ được chọn một kỹ thuật để làm đúng, hãy chọn guarding. Ý tưởng rất đơn giản nhưng hiệu quả đặc biệt lớn.
Đường tín hiệu mang dòng rò cần đo được bao bọc bởi một lớp dẫn gọi là lớp guard, và lớp này được thiết bị chủ động giữ ở cùng điện thế với đường tín hiệu. Vì hai vật dẫn cùng điện thế thì không có chênh áp giữa chúng, nên không có dòng rò nào chảy qua lớp cách điện ngăn cách chúng — bất kể điện trở cách điện đó là bao nhiêu. Dòng rò vẫn tồn tại, nhưng nó chảy từ lớp guard xuống đất và do nguồn guard gánh, không đi qua bộ đo.
Về mặt thực hành, điều này có nghĩa là:
- Dùng cáp triax (ba lớp: lõi tín hiệu, lớp guard, lớp vỏ nối đất), không dùng cáp coax cho phép đo dưới nano-ampe.
- Mở rộng lớp guard vào tận đồ gá và đế đo, càng sát mẫu càng tốt. Guard dừng ở đầu nối là guard làm được một nửa việc.
- Với phép đo điện trở bề mặt, vòng guard chính là điện cực bảo vệ xác định hình học phép đo.
Đo điện trở cách điện: điện trở khối và điện trở bề mặt
Một mẫu vật liệu có hai đường rò khác nhau về bản chất, và tiêu chuẩn đo tách bạch chúng:
Điện trở khối (volume resistance) mô tả dòng chảy xuyên qua bề dày vật liệu. Nó là thuộc tính nội tại, quy đổi thành điện trở suất khối theo diện tích điện cực và bề dày mẫu.
Điện trở bề mặt (surface resistance) mô tả dòng chảy dọc theo bề mặt. Nó phụ thuộc mạnh vào độ ẩm và mức nhiễm bẩn, nên biến động nhiều hơn và thường là đại lượng quyết định trong môi trường nhà máy.
Điểm mấu chốt: chính lớp guard quyết định bạn đang đo cái nào. Cùng một bộ ba điện cực, chỉ cần đổi vai trò điện cực nào làm guard là chuyển từ phép đo điện trở khối sang điện trở bề mặt. Đây là lý do sai sót về đấu nối guard không tạo ra sai số nhỏ mà tạo ra kết quả của một phép đo hoàn toàn khác.
Hai chi tiết quy trình cần tôn trọng: thời gian điện hoá (electrification time) — khoảng chờ sau khi áp điện áp trước khi đọc số, do tiêu chuẩn quy định và thường là 60 giây, nhằm cho dòng hấp thụ điện môi lắng xuống; và điều kiện môi trường — nhiệt độ, độ ẩm phải được ghi lại, vì điện trở bề mặt thay đổi theo bậc mười khi độ ẩm thay đổi.
Phương pháp đảo cực cho điện trở siêu cao
Ở vùng trên 10¹⁴ Ω, một sai số hệ thống bắt đầu chi phối: các dòng nền không phụ thuộc điện áp — dòng nhiệt điện tại mối nối, dòng phân cực còn sót lại, độ trôi của bộ khuếch đại — cộng thẳng vào số đọc và không thể phân biệt với dòng rò thật.
Phương pháp đảo cực (alternating polarity) giải quyết bằng cách áp luân phiên +V rồi −V và lấy hiệu các số đọc. Dòng rò thật đổi dấu theo điện áp, còn các dòng nền thì không, nên phép trừ triệt tiêu chúng và giữ lại đúng thành phần phụ thuộc điện áp. Kỹ thuật này cũng làm phẳng phần lớn ảnh hưởng của hấp thụ điện môi.
Cái giá phải trả là thời gian: mỗi lần đảo cực lại phải chờ hết thời gian điện hoá. Một phép đo điện trở siêu cao làm đúng có thể mất nhiều phút cho mỗi điểm dữ liệu — cần tính vào kế hoạch thử nghiệm thay vì kỳ vọng đọc số tức thì.
Chọn thiết bị đo dòng rò cao thế
Tiêu chí chọn khá rõ ràng, theo thứ tự ưu tiên:
- Cần áp cao thế và đo điện trở cách điện → điện kế kèm nguồn tích hợp. Điện kế / đo điện trở cao Keysight B2987B là cấu hình kinh điển cho việc này; lưu ý B2987B đã ngừng sản xuất và được thay thế bằng B2987C, nên với dự án mới nên chọn thẳng đời C.
- Môi trường nhiễu điện lưới nặng → chọn bản có pin. Chạy bằng pin cắt hoàn toàn đường ghép nhiễu từ lưới AC, và đây là lý do tồn tại của các model B2983/B2987 thay vì B2981/B2985.
- Chỉ cần đo dòng nhỏ, không cần áp cao thế → picoammeter / điện kế Keysight B2983B là lựa chọn gọn và kinh tế hơn.
Một lưu ý cấu hình: dòng B2980 phân biệt theo hai trục — có nguồn cao thế tích hợp hay không, và có pin hay không. Model B2985B trong nhiều tài liệu tham khảo chính là phiên bản không pin của B2987B; nếu bài toán của bạn nhạy với nhiễu lưới thì bản có pin đáng giá hơn phần chênh lệch.
Phép đo dòng rò thường đi cùng bộ chỉ tiêu độ tin cậy ở mức wafer; xem thêm Đo tham số bán dẫn trên wafer: WLR và các tiêu chuẩn JEDEC để đặt phép đo này vào đúng quy trình đánh giá tuổi thọ.
Kết luận
Đo dòng rò cao thế không phải phép đo mà thiết bị tốt tự lo hết. Kiến trúc điện kế cho bạn sàn nhiễu femto-ampe và nguồn 1000 V trong cùng một khối; guarding quyết định con số đo được là điện trở khối hay bề mặt; thời gian điện hoá và phương pháp đảo cực quyết định con số đó có ổn định và không thiên lệch hay không. Bỏ qua bất kỳ mắt xích nào, bạn vẫn có một số đọc — chỉ là nó không nói gì về vật liệu.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp điện kế, picoammeter và dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo dòng rò và điện trở cách điện cho vật liệu bán dẫn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
