Một lô MOSFET đạt toàn bộ thông số một chiều: dòng bão hoà đúng, điện áp ngưỡng đúng, dòng rò dưới giới hạn. Đưa vào mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, nền nhiễu ở vùng dưới kilohertz cao hơn thiết kế 6 dB. Đưa vào bộ dao động, nhiễu pha gần sóng mang xấu hơn dự kiến. Không phép đo I-V nào phát hiện được điều đó, vì đại lượng gây ra nó không nằm trong đường cong I-V.
Đại lượng đó là nhiễu nhấp nháy, và đo nhiễu 1/f là phép đo duy nhất nhìn thấy nó. Bài viết đi qua bản chất vật lý, hai mô hình cạnh tranh mà kỹ sư phải chọn một, các ràng buộc thực tế của bàn đo, và một hiểu lầm phổ biến về vai trò của máy phân tích phổ.
Nhiễu nhấp nháy không phải nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt và nhiễu bắn có mật độ phổ công suất phẳng theo tần số — đo ở 10 Hz hay 10 kHz đều cho cùng một giá trị. Nhiễu nhấp nháy thì ngược lại: mật độ phổ tỉ lệ nghịch với tần số, dạng 1/f^γ với số mũ thường quanh 1.
Hệ quả là một tính chất khó chịu. Vì phổ tăng vô hạn khi tần số giảm, không tồn tại “giá trị nhiễu 1/f” của một linh kiện — chỉ tồn tại mật độ phổ tại một tần số xác định, ở một điểm phân cực xác định. Mọi con số nhiễu flicker ghi trong báo cáo mà thiếu hai thông tin đó đều không so sánh được với con số khác.
Tần số mà tại đó phổ 1/f cắt nền nhiễu phẳng gọi là tần số góc nhấp nháy. Với mạch băng gốc và mạch cảm biến, tần số góc quyết định trực tiếp độ phân giải khả dụng. Với bộ dao động, nhiễu 1/f ở băng gốc bị nâng lên quanh sóng mang qua phi tuyến của tầng tích cực, thành nhiễu pha gần sóng mang — đây là lý do một transistor có nhiễu nhấp nháy thấp lại là yêu cầu của thiết kế RF, chứ không chỉ của thiết kế analog tần số thấp.
Hai mô hình cạnh tranh, và vì sao phải chọn
Hai cách giải thích nguồn gốc nhiễu 1/f trong MOSFET đã cùng tồn tại nhiều thập kỷ, và chúng dẫn tới hai kết luận công nghệ khác nhau:
- Thăng giáng số hạt tải (mô hình McWhorter) — hạt tải trong kênh bị bẫy và nhả bởi các bẫy trong lớp oxide gần mặt phân cách. Mỗi bẫy tạo ra một phổ Lorentz với hằng số thời gian riêng; chồng chập nhiều bẫy có hằng số thời gian phân bố rộng cho ra dạng 1/f. Theo mô hình này, nhiễu là thước đo mật độ bẫy, tức thước đo chất lượng oxide và chất lượng mặt phân cách.
- Thăng giáng độ linh động (mô hình Hooge) — nhiễu sinh từ thăng giáng độ linh động của hạt tải, mô tả bằng quan hệ thực nghiệm trong đó mật độ phổ tương đối tỉ lệ nghịch với tổng số hạt tải trong mẫu và với tần số, nhân với một tham số không thứ nguyên đặc trưng cho vật liệu.
Vì sao chuyện này quan trọng với người làm đo lường? Vì hai mô hình cho hai cách phụ thuộc khác nhau vào điện áp cổng và vào diện tích linh kiện. Nếu mục tiêu là dùng nhiễu để đánh giá chất lượng oxide giữa các lô sản xuất, phép đo phải quét đủ điểm phân cực để phân biệt hai xu hướng — đo một điểm duy nhất rồi kết luận là cách nhanh nhất để rút ra kết luận sai về quy trình.
Đo nhiễu 1/f: đo đại lượng nào cho đúng
Đại lượng thu được trực tiếp là mật độ phổ công suất của thăng giáng dòng máng, đơn vị A² trên Hz. Nhưng đại lượng dùng để so sánh giữa các linh kiện khác kích thước lại là nhiễu quy về đầu vào: chia mật độ phổ dòng máng cho bình phương hỗ dẫn, được mật độ phổ điện áp cổng tương đương, đơn vị V² trên Hz.
Bước quy đổi này bắt buộc phải đo hỗ dẫn tại đúng điểm phân cực đang đo nhiễu. Dùng giá trị hỗ dẫn lấy từ một phép đo I-V khác điều kiện là sai lầm hay gặp và đủ để làm lệch kết quả vài dB.
Với linh kiện kích thước nhỏ, số bẫy trong vùng hoạt động giảm xuống còn vài cái. Khi đó chồng chập Lorentz không còn trơn, và tín hiệu chuyển sang dạng nhảy bậc rời rạc theo thời gian — nhiễu điện báo ngẫu nhiên. Loại nhiễu này phải đo trong miền thời gian, không đo bằng phổ, vì thông tin nằm ở biên độ bậc nhảy và ở hai hằng số thời gian bắt và nhả.
Bốn ràng buộc của bàn đo
Nguồn phân cực phải sạch hơn linh kiện
Ràng buộc số một, và cũng là ràng buộc hay bị vi phạm nhất. Nhiễu của nguồn phân cực cộng thẳng vào kết quả. Nếu nguồn ồn hơn linh kiện, phép đo là phép đo nguồn.
Keysight B2912B là nguồn đo hai kênh với độ phân giải nguồn và đo tới 10 fA và 100 nV, dải ±210 V và ±3 A một chiều, tới ±10,5 A ở chế độ xung. Độ phân giải 100 nV cho phép đặt điểm phân cực mịn — nhưng cần nói rõ rằng độ phân giải không đồng nghĩa với mật độ phổ nhiễu; đó là hai thông số khác nhau và phải tra riêng khi lập ngân sách nhiễu cho bàn đo.
Vùng tần số thấp đòi thời gian đo dài
Muốn có một điểm phổ ở 0,1 Hz, mỗi bản ghi phải dài ít nhất 10 giây; muốn trung bình 100 lần để giảm phương sai ước lượng, phép đo mất hàng chục phút cho riêng một điểm phân cực. Nhân với số điểm phân cực và số linh kiện, đây là lý do đo nhiễu tần số thấp luôn là hạng mục tốn thời gian nhất trong đặc trưng hoá linh kiện — và là lý do các hệ chuyên dụng đầu tư mạnh vào tốc độ và khả năng lấy trung bình.
Trở kháng tải làm thay đổi kết quả
Điểm làm việc và hàm truyền từ nguồn nhiễu tới điểm đo đều phụ thuộc trở kháng mạch ngoài. Hệ chuyên dụng vì thế cho chọn trở kháng tải theo bậc: thế hệ E4727A cung cấp 25 giá trị trở kháng từ 0 Ω tới 100 MΩ.
Nhiễu môi trường ở 50 Hz
Vùng phổ cần đo trùng đúng với vùng của nhiễu lưới điện và hài của nó. Chắn điện từ, nối đất một điểm và dùng buồng thăm dò kín là điều kiện cần, không phải tuỳ chọn.
Vì sao máy phân tích phổ RF không phải công cụ cho vùng lõi
Đây là hiểu lầm cần nói thẳng. Keysight N9010B EXA có dải tần từ 10 Hz tới 3,6 / 7,0 / 13,6 / 26,5 / 32 hoặc 44 GHz tuỳ tuỳ chọn, băng thông phân tích 25 MHz tiêu chuẩn, và mức nhiễu nền hiển thị đạt tới −172 dBm ở 2 GHz khi bật tiền khuếch đại cùng chức năng mở rộng nền nhiễu. Đó là một máy phân tích rất tốt — nhưng giới hạn dưới 10 Hz nằm ngay trên vùng mà nhiễu 1/f biểu hiện mạnh nhất.
Nói cách khác, máy phân tích phổ RF đúng vai trò khi ta đo hệ quả của nhiễu 1/f sau khi nó đã bị nâng lên quanh sóng mang, tức đo nhiễu pha của bộ dao động. Nó không phải công cụ để đo nhiễu 1/f ở gốc, trong dải từ dưới 1 Hz tới vài kilohertz. Chọn nhầm vai trò của hai phép đo này dẫn tới kết luận rằng linh kiện “không có nhiễu 1/f” chỉ vì thiết bị không nhìn xuống được tới đó.
Cấu hình theo mục tiêu
- Đặc trưng hoá I-V, C-V và phân cực chính xác — Keysight B1500A với 10 khe mô-đun, dải đo từ 0,1 fA tới 1 A và từ 0,5 µV tới 200 V; khối đo điện dung phủ 1 kHz tới 5 MHz. Bộ ASU cho độ phân giải dòng 0,1 fA. Nền tảng này cũng hỗ trợ đo NBTI/PBTI và nhiễu điện báo ngẫu nhiên.
- Phân cực hai kênh linh hoạt trên bàn đo rời — B2912B khi cần nguồn đo độc lập cho cổng và máng.
- Đo phổ nhiễu chuyên dụng xuống dưới 1 Hz — bộ phân tích nhiễu tần số thấp chuyên dụng dòng E4727. Thế hệ E4727A công bố độ nhạy nhiễu −183 dBV²/Hz, đo được ở điện áp tới ±200 V và xuống tới 0,03 Hz, độ chính xác phép đo nhiễu 1/f ±1,5 dB với độ lặp lại ±2,0 dB. Thế hệ hiện hành E4727B đo cả mật độ phổ 1/f trong miền tần số lẫn nhiễu điện báo ngẫu nhiên trong miền thời gian, ghép được với B1500A và với hệ thăm dò wafer, và đã được dùng cho phép đo ở nhiệt độ nitơ lỏng.
- Đo nhiễu pha của bộ dao động — N9010B hoặc lớp máy phân tích tín hiệu cao hơn.
Nếu bài toán của bạn là đặc trưng hoá lớp điện môi cổng chứ không phải nhiễu của linh kiện hoàn chỉnh, bài đo vật liệu điện môi: hằng số điện môi và tổn hao theo tần số đi theo hướng bổ trợ.
Kết luận
Nhiễu nhấp nháy là một trong số ít đại lượng điện phản ánh trực tiếp chất lượng vật liệu và mặt phân cách, nên nó được dùng như chỉ số theo dõi quy trình chế tạo. Phép đo chỉ có giá trị khi ba điều được ghi rõ: tần số quan sát, điểm phân cực, và mức nhiễu nền của chính hệ đo. Thiếu điều thứ ba, con số thu được có thể là nhiễu của bàn đo chứ không phải của linh kiện.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn được công nhận theo ISO/IEC 17025 — nơi các nguồn đo và máy phân tích trong hệ đặc trưng hoá của bạn được xác nhận lại theo chuẩn có truy xuất. Tư vấn cấu hình và đặt lịch hiệu chuẩn: hotline 0908 173 345.
