Hiệu ứng bẫy trong HEMT GaN: sụt dòng động và cách đo

Một transistor GaN đo trên bàn cho R_DS(on) đúng như datasheet. Cùng con đó lắp vào bộ biến đổi chuyển mạch cứng ở 400 V, hiệu suất thấp hơn tính toán và vỏ nóng hơn dự kiến. Không có gì hỏng, không có gì sai số — điện trở dẫn của nó thực sự đã tăng lên, nhưng chỉ tăng khi đang chuyển mạch, và trở lại bình thường ngay khi bạn rút ra đo tĩnh. Đó là hiệu ứng bẫy trong HEMT GaN, và nó là lý do một phép đo DC hoàn hảo vẫn không nói cho bạn biết linh kiện sẽ hành xử thế nào trong mạch thật.

Hiệu ứng bẫy trong HEMT GaN: cơ chế vật lý

Transistor GaN công suất là cấu trúc HEMT ngang, với kênh dẫn là khí điện tử hai chiều hình thành ở mặt phân cách dị thể AlGaN/GaN. Cấu trúc đó cho điện trở dẫn trên đơn vị diện tích rất thấp và điện dung ký sinh nhỏ — chính là lý do GaN thắng silic ở tần số chuyển mạch cao. Nhưng nó cũng mang theo một nhược điểm: các mức bẫy phân bố trong lớp đệm và trên bề mặt.

Cơ chế đã được mô tả nhất quán trong tài liệu kỹ thuật: dưới các điều kiện ứng suất khác nhau trong quá trình chuyển mạch công suất, một phần điện tích bị bắt giữ tại những vùng không mong muốn trong cấu trúc transistor, khiến điện trở dẫn tăng lên tạm thời khi linh kiện vận hành trong môi trường chuyển mạch. Hai nguồn điện tích chính là bẫy trong lớp đệm và tiêm điện tử nóng ở vùng trường mạnh gần cực máng. Điện tích bị bắt giữ đóng vai trò như một cực cổng ảo, làm nghèo cục bộ khí điện tử hai chiều và thu hẹp kênh dẫn.

Hệ quả gọi là sụt dòng động current collapse — trong tài liệu tiếng Anh còn gọi là dynamic R_DS(on), và trong bài này gọi tắt là Rds-on động. Điểm quan trọng cần nắm là bản chất thời gian của nó: điện tích bị bắt trong quá trình linh kiện ở trạng thái khóa dưới điện áp cao, rồi được nhả ra dần sau khi linh kiện mở. Hằng số thời gian nhả trải rộng từ nano giây tới hàng giây tùy loại bẫy. Nghĩa là giá trị R_DS(on) bạn đo được phụ thuộc vào bạn đo bao lâu sau thời điểm mở. Đây chính là chỗ mà thiết bị đo quyết định con số.

Vì sao đường đặc tuyến DC không nhìn thấy sụt dòng động

Phép đo R_DS(on) tĩnh đặt linh kiện ở trạng thái dẫn ổn định rồi đo. Đến lúc đó, mọi bẫy có hằng số thời gian ngắn đã nhả hết điện tích, và con số đọc được là giá trị “sạch” — đúng như datasheet, nhưng không phải giá trị mà mạch thật nhìn thấy.

Phép đo I-V xung tiến gần hơn một bước: nó rút ngắn thời gian dẫn để chặn tự nung, cho ra đường đặc tuyến không bị méo bởi nhiệt. Kỹ thuật này được bàn kỹ trong bài đo I-V xung cho linh kiện công suất. Nhưng I-V xung thông thường vẫn chưa đủ cho bài toán bẫy, vì một lý do tinh tế: nó chặn được tự nung chứ không tạo ra ứng suất khóa điện áp cao trước mỗi lần đo. Mà chính giai đoạn khóa ở điện áp cao mới là lúc điện tích bị bắt.

Muốn đo được sụt dòng động, chuỗi kích thích phải có đúng ba pha theo đúng thứ tự: đặt linh kiện ở trạng thái khóa dưới điện áp máng cao trong một khoảng thời gian xác định — chuyển sang trạng thái dẫn thật nhanh — đo dòng và áp ngay trong cửa sổ dẫn ngắn đó. Ba pha ấy là toàn bộ kiến trúc của phép đo, và độ khó nằm ở pha chuyển tiếp.

JEDEC JEP173 và mạch kẹp: chuẩn hoá phép đo Rds-on động

JEDEC đã ban hành JEP173 — Dynamic ON-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT based Power Conversion Devices, thiết lập một quy trình đặc trưng hóa để đánh giá tin cậy điện trở dẫn động của transistor công suất GaN ngang. Tài liệu này mô tả phép đo R_DS(on) động như một phép đo mức độ hiện tượng bắt giữ điện tích trong linh kiện GaN, và đề xuất phương pháp dùng mạch kẹp (clamp circuit).

Mạch kẹp giải quyết bài toán khó nhất của phép đo: khi linh kiện đang khóa, giữa cực máng và cực nguồn có thể là 400 V hoặc 650 V; khi nó mở, điện áp đó rơi xuống vài chục hoặc vài trăm milivôn. Bạn cần đo chính xác cái milivôn ấy bằng một mạch mà chỉ vài trăm nano giây trước đó còn đang chịu hàng trăm vôn. Mạch kẹp giới hạn điện áp đưa vào tầng khuếch đại đo trong pha khóa, rồi nhả ra đủ nhanh để tầng đó phục hồi kịp trước khi cửa sổ đo mở.

Cần biết cả giới hạn của tiêu chuẩn. Các đánh giá học thuật về JEP173 chỉ ra rằng bản hiện hành không tính tới ảnh hưởng của điện áp ứng suất và của nhiệt độ lên R_DS(on) động — dẫn tới việc đặc trưng hóa linh kiện chưa đầy đủ. Nói cách khác, hai linh kiện cùng đạt JEP173 vẫn có thể hành xử khác nhau ở điều kiện ứng suất của ứng dụng cụ thể. Kết quả JEP173 là điều kiện cần, không phải điều kiện đủ, cho việc chọn linh kiện.

Đo I-V xung GaN trên B1505A: thiết bị làm được gì và tới đâu

Keysight có một khối phần cứng chuyên cho bài toán này: N1267A HVSMU/HCSMU Fast Switch, dùng cùng máy phân tích linh kiện công suất B1505A. Theo tài liệu kỹ thuật của Keysight, N1267A hỗ trợ chuyển mạch nhanh giữa HVSMU và HCSMU để cho phép đo hiệu ứng sụt dòng động của gallium nitride.

Trình tự đo được mô tả rõ: HVSMU trước hết đặt ứng suất điện áp cao lên linh kiện khi linh kiện ở trạng thái khóa; sau đó HVSMU thực hiện phép đo điện áp còn HCSMU thực hiện phép đo I-V để theo dõi đặc tính trạng thái dẫn. Khi đo trạng thái dẫn, HVSMU đo điện áp còn cả HVSMU lẫn HCSMU cùng được dùng để đo tổng dòng.

Các giới hạn định lượng của khối này quyết định phép đo với tới đâu:

• Dải đặt ứng suất khóa (HVSMU): +1 V đến +3000 V, dòng 4 mA khi điện áp trên 1500 V và 8 mA khi từ 1500 V trở xuống. Giá trị đặt phải bằng điện áp trạng thái dẫn cộng thêm ít nhất 1 V.
• Dải trạng thái dẫn (HCSMU): 0 đến ±40 V, tối đa 20 A xung khi điện áp không quá 20 V, hoặc 1 A DC.
• Thời gian giữ trạng thái khóa: đặt được từ 10 ms tới 655,35 s — đủ dài để dò các bẫy có hằng số thời gian rất chậm.
• Độ phân giải đo: 200 µV cho điện áp ở trạng thái khóa, 100 nA cho dòng ở trạng thái dẫn.
• Tốc độ lấy mẫu: 2 đến 12 µs cho dòng, 6 µs cho điện áp.
• Thời gian chuyển tiếp tối thiểu từ khóa sang dẫn: 20 µs. Thời gian dẫn tối thiểu: 50 µs.

Hai con số cuối là điều quan trọng nhất phải hiểu, và cũng là điều dễ bị nói tránh nhất. Chúng xác định cửa sổ thời gian mà phép đo này quan sát được: quá trình nhả bẫy từ khoảng 20 µs sau thời điểm mở trở đi. Một bộ biến đổi chuyển mạch cứng chạy 100 kHz có chu kỳ 10 µs — toàn bộ chu kỳ ngắn hơn thời gian chuyển tiếp tối thiểu của khối đo. Nghĩa là B1505A với N1267A đặc trưng hóa được cơ chế bẫy và mức độ nghiêm trọng của nó, nhưng không tái tạo được điều kiện chuyển mạch cứng ở tần số làm việc thật. Muốn con số R_DS(on) động ngay trong vài trăm nano giây đầu sau khi mở — thứ mà mạch thật thực sự nhìn thấy — bạn cần một giàn xung kép có mạch kẹp theo JEP173, gồm máy hiện sóng băng thông cao, đầu dò dòng và mạch kẹp riêng.

Đó không phải điểm yếu của thiết bị mà là sự phân công đúng: máy phân tích linh kiện cho bạn cơ chế và xu hướng — bẫy nào, nhả nhanh chậm ra sao, ứng suất bao lâu thì bão hòa; giàn xung kép cho bạn con số trong điều kiện ứng dụng. Một chương trình đánh giá GaN nghiêm túc cần cả hai.

Chọn thiết bị Keysight theo từng thang thời gian

• Keysight B1505A — Máy phân tích linh kiện công suất — đánh giá tới 10 kV và 1500 A trong một khung máy, xung nhanh xuống 10 µs, độ phân giải đo điện trở dẫn ở mức µΩ và sàn đo dòng dưới pA. Mỗi kênh có hai bộ chuyển đổi A/D độc lập hỗ trợ tốc độ lấy mẫu 2 µs để theo dõi các mốc thời gian quan trọng. Đo được điện dung Ciss/Coss/Crss tự động ở phân cực DC tới 3 kV và đo điện tích cổng cũng tới 3 kV. Đây là nền tảng bắt buộc cho bài toán bẫy — cộng thêm khối N1267A.
• Keysight B1506A — cũng tới 3000 V và 1500 A, điểm khác biệt là đo được linh kiện đã gắn trên bo mạch, với các phép đo R_DS(on), Q_g, C_oss và điện áp đánh thủng. Đây là công cụ của khâu kiểm tra đầu vào và đánh giá lô hàng, không phải công cụ nghiên cứu cơ chế bẫy.
• Keysight B1500A — máy phân tích tham số bán dẫn với kiến trúc 10 khe, đo I-V, C-V và xung/sóng, độ phân giải dòng xuống tới 0,1 fA. Điểm mạnh cho bài toán bẫy nằm ở module B1530A WGFMU: tốc độ lấy mẫu tới 200 MSa/s, băng thông đo 16 MHz, và bộ phát sóng tuyến tính tùy ý với độ phân giải thời gian lập trình tối thiểu 10 ns. Khối đo thực tế nằm trong hai bộ RSU đặt sát linh kiện để rút ngắn cáp. Thang thời gian 10 ns đưa phép đo vào đúng vùng mà N1267A không với tới — đổi lại là dải điện áp và dòng thấp hơn nhiều, nên đây là công cụ nghiên cứu vật lý bẫy trên cấu trúc thử chứ không phải trên linh kiện công suất đóng gói ở 650 V.
• Keysight EXR254A Infiniium EXR-Series — 2,5 GHz trên cả 4 kênh, nâng cấp được lên 8 kênh, ADC 10 bit với 16 GSa/s đồng thời trên mọi kênh, bộ nhớ tiêu chuẩn 100 Mpts nâng lên 400 Mpts hoặc 1,6 Gpts. Chế độ high-res cho tới 16 bit độ phân giải với sàn nhiễu thấp tới 43 µV và ENOB hệ thống tới 9,0 bit. Chính con số 43 µV và độ sâu bộ nhớ là thứ quyết định trong phép đo xung kép: bạn cần đọc vài chục milivôn V_DS ngay sau một sườn 400 V, và cần lưu đủ dài để bắt cả hai xung.

Kết luận

Bốn điều đáng mang ra khỏi bài này. Một, sụt dòng động là hiện tượng phụ thuộc thời gian — con số R_DS(on) bạn đọc được phụ thuộc vào việc bạn đo bao lâu sau thời điểm mở, nên mọi báo cáo phải ghi kèm cửa sổ đo. Hai, phép đo DC và cả phép đo I-V xung thông thường đều không thấy nó, vì chúng thiếu pha ứng suất khóa ở điện áp cao trước mỗi lần đo. Ba, JEP173 chuẩn hóa quy trình bằng mạch kẹp, nhưng bản hiện hành chưa bao gồm ảnh hưởng của điện áp ứng suất và nhiệt độ — đạt JEP173 là điều kiện cần chứ chưa đủ. Bốn, mỗi thiết bị có cửa sổ thời gian riêng: N1267A trên B1505A quan sát từ khoảng 20 µs sau thời điểm mở, B1530A WGFMU trên B1500A xuống tới thang 10 ns nhưng ở mức điện áp thấp, còn điều kiện chuyển mạch cứng thật cần giàn xung kép với máy hiện sóng.

Trước khi so sánh linh kiện của hai nhà cung cấp bằng con số R_DS(on) động, hãy chắc rằng hai phép đo dùng cùng điện áp ứng suất, cùng thời gian khóa và cùng cửa sổ đo — nếu không thì hai con số đó đơn giản là không so được với nhau. Và như mọi phép đo mà kết luận thương mại phụ thuộc vào nó, thiết bị phải còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích linh kiện, máy hiện sóng và đầu dò đi kèm. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình module theo dải điện áp và dòng của linh kiện bạn đang đánh giá, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn định kỳ.

Câu hỏi thường gặp

Sụt dòng động trong HEMT GaN là gì?

Là hiện tượng điện trở dẫn RDS(on) của transistor GaN tăng tạm thời khi linh kiện vận hành trong môi trường chuyển mạch, còn gọi là current collapse hay dynamic RDS(on). Nguyên nhân là điện tích bị bắt giữ tại các mức bẫy trong lớp đệm và do tiêm điện tử nóng ở vùng trường mạnh gần cực máng, tạo ra một cực cổng ảo làm nghèo cục bộ khí điện tử hai chiều và thu hẹp kênh dẫn.

Vì sao phép đo DC không phát hiện được hiệu ứng bẫy?

Phép đo DC đặt linh kiện ở trạng thái dẫn ổn định rồi mới đo — đến lúc đó các bẫy có hằng số thời gian ngắn đã nhả hết điện tích và con số đọc được đúng như datasheet. Ngay cả I-V xung thông thường cũng chưa đủ vì nó chặn tự nung nhưng không tạo ra pha ứng suất khóa ở điện áp cao trước mỗi lần đo, mà chính pha khóa đó mới là lúc điện tích bị bắt.

Keysight B1505A đo được sụt dòng động tới mức nào?

Với khối N1267A HVSMU/HCSMU Fast Switch, B1505A đặt ứng suất khóa từ +1 V đến +3000 V rồi chuyển sang trạng thái dẫn để đo I-V. Thời gian chuyển tiếp tối thiểu từ khóa sang dẫn là 20 µs và thời gian dẫn tối thiểu là 50 µs, nên phép đo quan sát quá trình nhả bẫy từ khoảng 20 µs trở đi. Muốn con số trong vài trăm nano giây đầu sau khi mở — điều kiện chuyển mạch cứng thật — cần một giàn xung kép có mạch kẹp theo JEDEC JEP173.

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