Bạn đo đường đặc tuyến ID–VDS của một MOSFET công suất bằng phép quét DC thông thường. Ở vùng dòng lớn, đường cong không đi lên rồi bão hoà như sách giáo khoa — nó đi xuống. Linh kiện không hỏng, phép đo không sai thao tác. Cái bạn vừa vẽ ra là đường đặc tuyến của một con transistor đang nóng lên trong lúc bị đo. Đó là lý do tồn tại của đo I-V xung.
Tự nung làm sai đường đặc tuyến như thế nào
Khi đặt điện áp VDS và cho dòng ID chạy qua, công suất tiêu tán tức thời là tích của hai đại lượng đó. Với linh kiện công suất, tích này dễ dàng lên tới hàng chục hoặc hàng trăm watt ngay tại một điểm đo. Toàn bộ công suất ấy biến thành nhiệt trong một thể tích silicon rất nhỏ, làm nhiệt độ lớp tiếp giáp tăng lên trong khoảng thời gian của chính phép đo.
Hệ quả đo được rất cụ thể. Độ linh động hạt tải giảm khi nhiệt độ tăng, nên điện trở dẫn tăng và dòng bão hoà giảm — đường cong bị “ép” xuống ở vùng dòng cao. Điện áp ngưỡng dịch chuyển. Trên đường truyền đạt, hệ số nhiệt của Vth và của độ linh động triệt tiêu nhau tại một điểm duy nhất, nên hình dạng đường cong hai bên điểm đó bị biến dạng theo hai chiều ngược nhau.
Vấn đề không nằm ở chỗ “sai vài phần trăm”. Vấn đề là đường cong bạn vừa đo không tồn tại trong ứng dụng thật: trong mạch chuyển mạch, linh kiện chỉ ở trạng thái dòng cao trong vài chục hoặc vài trăm nano giây mỗi chu kỳ, không bao giờ có đủ thời gian nóng lên tới mức mà phép quét DC áp đặt. Mô hình SPICE trích từ dữ liệu DC sẽ dự đoán sai tổn hao dẫn của mạch thật.
Nguyên lý phép đo I-V xung
Ý tưởng đơn giản: chỉ đặt kích thích trong một khoảng đủ ngắn để nhiệt chưa kịp lan tới lớp tiếp giáp, đo trong khoảng đó, rồi tắt và chờ linh kiện nguội trước điểm đo tiếp theo. Ba tham số điều khiển toàn bộ phép đo.
Độ rộng xung quyết định lượng nhiệt bơm vào trong một lần. Nó phải ngắn hơn hằng số thời gian nhiệt của đường dẫn nhiệt gần nhất — thường là của chính die và lớp gắn die. Với linh kiện công suất hiện đại, khoảng vài chục micro giây là ngưỡng thường gặp.
Chu kỳ lặp quyết định thời gian nguội giữa hai xung. Đây mới là tham số kiểm soát nhiệt độ trung bình của linh kiện qua cả phép quét.
Tỉ lệ đóng mở (duty cycle) là tỉ số của hai đại lượng trên và là thứ quyết định công suất trung bình. Một xung 100 µs lặp mỗi 10 ms cho duty cycle 1% — nghĩa là công suất trung bình chỉ bằng 1% công suất đỉnh.
Cái giá phải trả là thời gian và độ nhạy. Duty cycle 1% nghĩa là phép quét 100 điểm mất tối thiểu một giây chỉ riêng phần chờ. Và vì cửa sổ lấy mẫu ngắn, số mẫu tích luỹ được ít hơn nên nhiễu trên mỗi điểm cao hơn so với phép đo DC cùng dải. Đo I-V xung không “tốt hơn” đo DC ở mọi mặt — nó đánh đổi độ nhạy và tốc độ để lấy tính đúng đắn về nhiệt.
Chọn độ rộng xung và chu kỳ lặp
Không có con số vạn năng, nhưng có một quy trình xác định được bằng thực nghiệm ngay trên bàn đo.
Bước một: chọn một điểm đo ở vùng công suất cao nhất mà bạn quan tâm. Bước hai: đo lặp lại điểm đó với chuỗi độ rộng xung giảm dần — ví dụ 1 ms, 500 µs, 200 µs, 100 µs, 50 µs, 20 µs, 10 µs — trong khi giữ nguyên chu kỳ lặp. Bước ba: vẽ giá trị dòng đo được theo độ rộng xung. Đường này sẽ đi lên rồi bão hoà khi xung đủ ngắn; điểm bắt đầu bão hoà chính là ngưỡng “đủ ngắn để chưa tự nung” của linh kiện đó ở điểm làm việc đó.
Bước bốn làm tương tự với chu kỳ lặp: giữ độ rộng xung, kéo dài chu kỳ, xem từ đâu kết quả ngừng thay đổi. Đó là thời gian nguội tối thiểu.
Đây chính là năng lực mà phần cứng phải hỗ trợ. Trên Keysight B1505A — máy phân tích linh kiện công suất, cả mô-đun UHC lẫn HCSMU đều cho chỉnh độ rộng xung từ 10 µs tới 1 ms với chu kỳ lặp dài tới 5 giây — dải chu kỳ rộng như vậy tồn tại chính là để chạy được phép khảo sát ở bước bốn. Máy hỗ trợ tới 1500 V và 1500 A (với mô-đun UHVU và UHCU), phân giải dòng tới 10 fA, đo được điện trở dẫn ở mức µΩ và thử nhiệt trong dải −50 °C tới +250 °C.
Với linh kiện công suất trung bình và các phép đo tham số tổng quát, Keysight B1500A — máy phân tích linh kiện bán dẫn chạy phép đo xung bằng mô-đun MCSMU với xung tối thiểu lập trình được tới 10 µs. Còn khi chỉ cần hai kênh nguồn-đo linh hoạt cho linh kiện tín hiệu nhỏ hoặc cấu trúc thử, nguồn-đo SMU Keysight B2912B là cấu hình gọn hơn nhiều.
GaN và SiC: bẫy điện tích chồng lên tự nung
Với linh kiện gốc silicon, tự nung gần như là hiệu ứng ký sinh duy nhất mà xung hẹp phải đối phó. Với GaN và SiC thì không.
Tài liệu Keysight nói rõ rằng phép đo DC truyền thống tạo ra cả hiện tượng tự nung lẫn hiệu ứng bẫy điện tích, khiến hành vi đo được lệch khỏi điều kiện vận hành bình thường. Trong HEMT GaN, điện tử bị bắt vào các bẫy ở lớp đệm hoặc bề mặt khi linh kiện chịu điện áp khoá cao; các điện tử này giải phóng chậm hơn nhiều so với thang thời gian chuyển mạch, làm điện trở dẫn ngay sau khi mở lớn hơn giá trị tĩnh. Đó là hiện tượng thường được gọi là điện trở dẫn động.
Điểm mấu chốt về phương pháp: tự nung và bẫy điện tích tác động cùng chiều lên điện trở dẫn đo được, nên nếu chỉ đo một điểm thì không tách được hai nguyên nhân. Muốn tách, phải thay đổi điều kiện trước xung đo — cụ thể là thay đổi điểm thiên áp trạng thái khoá và thời gian giữ ở đó. Nhiệt độ lớp tiếp giáp không phụ thuộc điện áp khoá (khi dòng rò nhỏ), còn mức độ bẫy điện tích thì phụ thuộc mạnh. Chênh lệch giữa hai phép đo là phần đóng góp của bẫy.
Vì vậy với GaN, phép đo xung không chỉ cần xung hẹp mà cần kiểm soát được toàn bộ lịch sử thiên áp dẫn tới thời điểm lấy mẫu. Một tờ báo cáo chỉ ghi “đo xung 10 µs” mà không nêu điều kiện thiên áp trước xung là báo cáo chưa đủ để tái lập.
Khi nào phép đo DC vẫn là lựa chọn đúng
Đo xung có chi phí về thời gian, độ nhạy và độ phức tạp cấu hình, nên đừng mặc định dùng nó cho mọi thứ. Bốn câu hỏi để quyết định:
- Công suất tiêu tán tại điểm đo có đáng kể so với khả năng tản nhiệt của đồ gá không? Nếu đo dòng rò ở mức pico-ampe hay đo đặc tuyến vùng dưới ngưỡng, công suất gần như bằng không — DC là đúng, và còn cho độ nhạy tốt hơn hẳn.
- Bạn muốn mô tả linh kiện ở nhiệt độ nào? Nếu mục tiêu là đặc tính ở nhiệt độ vận hành ổn định của một mạch tuyến tính chạy liên tục, thì tự nung chính là điều kiện thật, và bạn nên đo DC có kiểm soát nhiệt độ đế thay vì đo xung.
- Vật liệu là gì? GaN và SiC gần như luôn cần phép đo xung nếu muốn con số dùng được cho thiết kế chuyển mạch.
- Kết quả sẽ đi vào mô hình hay vào biên bản kiểm tra? Trích tham số cho mô hình mạch thì cần dữ liệu xung; kiểm tra chức năng ở dòng thấp thì DC là đủ và nhanh hơn.
Một lưu ý về đồ gá thường bị bỏ qua: khi chạy xung dòng lớn, điện cảm ký sinh của dây nối tạo ra gai điện áp và dao động ngay đầu xung, làm hỏng các mẫu đầu tiên trong cửa sổ đo. Đường dẫn dòng phải ngắn và có diện tích vòng nhỏ, và cửa sổ lấy mẫu nên đặt về cuối xung sau khi quá độ đã tắt. Nguyên tắc bốn dây Kelvin — tách đường cấp dòng khỏi đường cảm nhận áp — là bắt buộc khi đo điện trở dẫn ở mức miliohm trở xuống; đây cũng chính là những ràng buộc giao diện đã bàn trong bài đo tham số bán dẫn trên wafer theo quy trình WLR và chuẩn JEDEC.
Kết luận
Đo I-V xung không phải một chế độ nâng cao để bật lên cho sang. Nó là cách duy nhất để lấy được đường đặc tuyến ứng với nhiệt độ mà linh kiện thật sự làm việc, và với GaN thì còn là cách duy nhất để tách bẫy điện tích khỏi hiệu ứng nhiệt. Quy trình đáng tin cậy luôn bắt đầu bằng việc đo thực nghiệm ngưỡng độ rộng xung và thời gian nguội của chính linh kiện đang xét, thay vì chép một cặp số từ báo cáo cũ.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, hỗ trợ lựa chọn cấu hình mô-đun SMU cho phép đo xung và cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo tham số bán dẫn. Hotline tư vấn kỹ thuật: 0908 173 345.
