Đo Gummel plot cho transistor lưỡng cực: hệ số khuếch đại và điện trở ký sinh

Đo Gummel plot là phép đo nền tảng khi đặc trưng hoá transistor lưỡng cực (BJT/HBT). Chỉ với một lần quét điện áp base–emitter, kỹ sư đọc được hệ số khuếch đại dòng, chất lượng tiếp giáp, và dấu vết của điện trở ký sinh — ba thông tin mà datasheet hiếm khi nói đủ. Bài viết trình bày nguyên lý, quy trình, các bẫy thường gặp và cách chọn thiết bị Keysight cho phép đo này.

Vì sao phép đo Gummel plot vẫn là bài kiểm tra đầu tiên của một BJT

Khi nhận một lô transistor mới — dù là linh kiện rời, cấu trúc thử trên wafer, hay HBT trong quy trình SiGe — câu hỏi đầu tiên của kỹ sư đặc trưng hoá không phải “nó khuếch đại bao nhiêu lần” mà “nó khuếch đại bao nhiêu lần ở mức dòng nào“. Hệ số khuếch đại dòng β không phải hằng số: nó tăng theo dòng collector ở vùng dòng thấp, giữ phẳng ở một dải giữa, rồi sụt nhanh khi dòng lớn.

Một phép đo β đơn lẻ tại một điểm phân cực vì thế gần như vô nghĩa nếu không biết điểm đó nằm ở đâu trên đường cong. Gummel plot giải quyết đúng vấn đề này: nó trải toàn bộ dải dòng — thường sáu tới tám decade — lên một đồ thị duy nhất, và để cả dòng base và collector cùng xuất hiện trên một trục log. Mọi bất thường về công nghệ chế tạo đều để lại dấu vết hình học trên đồ thị đó.

Gummel plot là gì và đo trong điều kiện nào

Gummel plot là đồ thị log(I_C) và log(I_B) theo V_BE, đo ở điều kiện điện áp collector–base bằng không (V_CB = 0). Emitter được nối đất, tiếp giáp base–emitter được quét phân cực thuận, còn tiếp giáp base–collector giữ ở mức không phân cực.

Điều kiện V_CB = 0 không phải tuỳ tiện. Nó loại bỏ hiệu ứng Early khỏi phép đo: thay đổi V_CB hoàn toàn không ảnh hưởng tới quan hệ I_B–V_BE, mà chỉ làm dịch quan hệ I_C–V_BE. Cố định V_CB = 0 nghĩa là mọi thay đổi hình dạng đường cong đều quy về bản thân linh kiện, không phải về điểm phân cực.

Trong thực hành, có hai cách tạo điều kiện này: nối chập collector với base (V_CB = 0 tuyệt đối), hoặc dùng hai kênh nguồn-đo quét đồng bộ để giữ V_CB = 0 trong khi V_BE thay đổi. Cách thứ hai cho phép đo I_C và I_B tách bạch trên hai kênh và là cách các máy phân tích tham số bán dẫn thực hiện.

Đọc ba vùng trên đường cong: nơi vật lý linh kiện lộ ra

Vùng lý tưởng ở giữa — nơi β là hằng số

Ở dải dòng giữa, cả hai đường I_C và I_B đều là đường thẳng trên trục log và song song với nhau. Song song nghĩa là tỉ số I_C/I_B không đổi — đó chính là β_F, hệ số khuếch đại dòng thuận. Khoảng cách theo phương đứng giữa hai đường, đọc trên trục log, chính là log(β).

Độ dốc của đoạn thẳng cho biết hệ số lý tưởng n trong biểu thức I_C = I_S·exp(qV_BE/nkT). Ở 300 K, nhiệt thế kT/q ≈ 25,85 mV, nên một decade dòng ứng với ln(10)·kT/q ≈ 59,5 mV khi n = 1. Đây là con số kiểm tra nhanh rất hữu ích: đo độ dốc thực tế, chia cho 59,5 mV/decade, ra ngay hệ số lý tưởng. Lệch đáng kể khỏi 1 là tín hiệu tiếp giáp không lý tưởng.

Vùng dòng thấp — chất lượng tiếp giáp base–emitter

Ở V_BE nhỏ, đường I_B tách khỏi đường I_C và dốc thoải hơn. Nguyên nhân là thành phần tái hợp trong vùng điện tích không gian của tiếp giáp base–emitter, có hệ số lý tưởng tiến về n ≈ 2 thay vì 1. Thành phần này chỉ ảnh hưởng tới dòng base và collector theo cách bất đối xứng: I_B tăng thêm còn I_C thì không, nên β sụt ở dòng thấp.

Mức độ tách này là thước đo chất lượng công nghệ. Với linh kiện có mật độ khuyết tật bề mặt cao hoặc thụ động hoá kém, vùng phi lý tưởng lấn sâu lên phía dòng cao và ăn mất dải làm việc hữu ích. Đây là lý do phép đo đặc tính BJT phải trải đủ nhiều decade — cắt dải đo ở 1 µA sẽ giấu mất chính khiếm khuyết cần tìm.

Vùng dòng cao — điện trở ký sinh và bơm mức cao

Ở đầu trên, cả hai đường cong đều uốn cong xuống và mất tính thẳng. Hai cơ chế chồng lên nhau. Thứ nhất là bơm mức cao trong base: khi mật độ hạt tải phun vào sánh với mật độ pha tạp, độ dốc của I_C giảm, kéo β sụt nhanh. Thứ hai là điện trở ký sinh nối tiếp ở emitter và base: một phần điện áp đặt vào bị rơi trên các điện trở này, nên điện áp thực tế trên tiếp giáp nhỏ hơn giá trị đo được ở đầu cực.

Phân biệt hai cơ chế là việc quan trọng. Sụt do điện trở nối tiếp làm cong đường cong theo cách phụ thuộc mức dòng tuyệt đối, và có thể tách ra bằng cách đối chiếu độ lệch điện áp với tích I·R. Sụt do bơm mức cao thì gắn với mật độ dòng, tức phụ thuộc diện tích emitter — đo hai linh kiện khác diện tích sẽ tách được hai hiệu ứng.

Thiết bị cho phép đo Gummel plot: yêu cầu thực sự nằm ở đâu

Yêu cầu khắt khe nhất không phải điện áp hay công suất, mà là dải động của phép đo dòng. Một Gummel plot đầy đủ trải từ dưới pA tới hàng chục mA — tức bảy tới tám decade — và thiết bị phải giữ được độ chính xác ở cả hai đầu, trong cùng một lần quét.

Điều đó dẫn tới ba tiêu chí cụ thể. Một là độ phân giải dòng ở đầu thấp: máy phân tích linh kiện bán dẫn Keysight B1500A có độ phân giải đo dòng tối thiểu 0,1 fA, đủ để đọc phần đuôi dòng base mà không bị nền nhiễu nuốt mất. Hai là khả năng cấp dòng ở đầu cao — B1500A cho tối đa 1 A DC và 3 A ở chế độ xung. Ba là số kênh nguồn-đo độc lập: khung máy hỗ trợ tới 10 khe mô-đun, đủ cho cấu hình quét đồng bộ base–collector và các phép đo I-V/C-V khác trên cùng một lần gá.

Với phòng thí nghiệm chỉ cần một tới hai kênh, nguồn-đo SMU Keysight B2901A là lựa chọn gọn hơn: độ phân giải đo dòng 100 fA, độ phân giải đo áp 100 nV, dải áp tới 210 V và dòng 3 A DC (10,5 A xung), lấy mẫu tới chu kỳ 20 µs. Hai máy B2901A ghép lại đủ để dựng cấu hình Gummel plot hai kênh hoàn chỉnh.

Khi cần độ chính xác cấp phòng chuẩn cho các cấu trúc thử trên wafer, máy phân tích tham số bán dẫn chính xác Keysight 4156C vẫn là thiết bị tham chiếu quen thuộc trong nhiều phòng đo linh kiện.

Quy trình đo Gummel plot và những chi tiết dễ bỏ sót

Trình tự thực hành gồm sáu bước:

1. Gá và che chắn. Dùng cáp triax, hộp chắn sáng và chắn nhiễu. Ở mức dòng fA–pA, ánh sáng chiếu vào chip sinh dòng quang đủ lớn để làm hỏng toàn bộ phần đuôi đường cong.
2. Cấu hình phân cực. Emitter nối đất, quét V_BE tăng dần, giữ V_CB = 0 bằng kênh thứ hai bám theo điện thế base.
3. Chọn bước quét. Bước 10–20 mV cho toàn dải. Bước quá thô làm mất điểm gãy giữa vùng phi lý tưởng và vùng lý tưởng.
4. Đặt thời gian tích phân và trễ. Ở dòng nhỏ, tăng thời gian tích phân (nhiều chu kỳ nguồn) và thêm trễ ổn định sau mỗi bước; điện dung cáp cần thời gian nạp.
5. Giới hạn tuân thủ. Đặt giới hạn dòng đủ để không phá linh kiện ở đầu quét trên, nhưng không thấp tới mức cắt cụt đường cong.
6. Kiểm soát nhiệt độ. Ghi lại nhiệt độ chip. Vì độ dốc tỉ lệ với kT/q, chênh lệch vài độ đã đủ làm sai hệ số lý tưởng tính được.

Cây quyết định khi đường cong trông bất thường

Khi kết quả không như kỳ vọng, ba câu hỏi theo thứ tự sẽ khoanh vùng nguyên nhân nhanh nhất:

Phần đuôi dòng thấp bị phẳng, không dốc? Đây gần như luôn là vấn đề đo đạc chứ không phải linh kiện: dòng rò của đồ gá, nhiễu, hoặc ánh sáng. Kiểm chứng bằng cách đo hở mạch — nếu dòng “hở mạch” cùng cỡ với phần đuôi, nền đo mới là thứ đang được vẽ.

Cả hai đường cùng uốn ở đầu cao? Nghi điện trở nối tiếp trước tiên, vì nó tác động lên cả I_C lẫn I_B. Nếu chỉ I_C đổi độ dốc còn I_B vẫn thẳng, cơ chế nghiêng về bơm mức cao.

Độ dốc vùng giữa lệch khỏi 59,5 mV/decade? Kiểm tra nhiệt độ và kiểm tra lại điều kiện V_CB = 0 trước khi kết luận về hệ số lý tưởng của linh kiện.

Kết luận

Gummel plot là phép đo rẻ về thời gian nhưng giàu thông tin bậc nhất trong đặc trưng hoá transistor lưỡng cực. Giá trị của nó nằm ở dải động: chỉ khi trải đủ bảy tới tám decade dòng, ba vùng vật lý mới hiện ra đủ rõ để tách bạch chất lượng tiếp giáp, hệ số khuếch đại và điện trở ký sinh. Do đó lựa chọn thiết bị — độ phân giải femto-ampere ở đầu thấp, khả năng cấp dòng ở đầu cao, và đồ gá che chắn tốt — quyết định phần lớn chất lượng kết quả.

Kết quả đo chỉ đáng tin khi thiết bị còn nằm trong hiệu lực hiệu chuẩn. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nguồn-đo SMU, máy phân tích tham số bán dẫn và thiết bị đo điện. Để được tư vấn cấu hình đo hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.

Tham khảo thêm: đo nhiễu 1/f trong linh kiện bán dẫn và đo đặc tính pin mặt trời: đường cong I-V và hiệu suất.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.