SMU PXIe độ chính xác Keysight M9601A (ảnh minh họa: Techmaster)
Đo dòng rò ở mức pico-ampe trở xuống, quét đường cong I-V bằng xung ngắn để hạn chế hiện tượng tự nung nóng, và chạy kiểm thử tham số trên nhiều kênh cùng lúc — đó là ba yêu cầu quen thuộc trong phòng đặc tính hoá linh kiện. Một SMU PXIe độ chính xác cao là một cách đáp ứng cả ba trong cùng một khung máy: mỗi kênh nguồn-đo là một mô-đun cắm vào khung, điều khiển bằng phần mềm và đồng bộ bằng đường trigger của khung.
Bài này giải thích SMU PXIe khác SMU để bàn ở đâu, đọc đúng phạm vi các con số của Keysight M9601A — độ phân giải 10 fA, nhiễu 30 fArms, xung 20 µs, sườn áp 1,4 V/µs — và những điều cần tính trước khi đưa mô-đun này vào hệ thống đặc tính hoá linh kiện bán dẫn hoặc kiểm thử tham số.
SMU PXIe là gì và khác SMU để bàn ở điểm nào?
SMU (source/measure unit) là thiết bị vừa phát vừa đo cả điện áp lẫn dòng điện, có vòng hồi tiếp nội giúp ngõ ra giữ chính xác khi tải thay đổi đột ngột, và có giới hạn (compliance) để bảo vệ linh kiện khỏi quá áp hoặc quá dòng. Nếu bạn mới làm quen với nguyên lý này, bài SMU là gì và bí quyết đo dòng rò pico-ampe là điểm khởi đầu tốt.
SMU để bàn như dòng Keysight B2901C trong họ B2900C là một thiết bị độc lập, đặt trên bàn và dùng riêng được. SMU PXIe thì không có màn hình hay phím bấm trên mô-đun: nó là một mô-đun cắm vào khung PXIe, dùng chung bộ điều khiển, nguồn, đồng hồ tham chiếu và các đường trigger của khung với những mô-đun khác. Đổi lại việc mất màn hình là ba lợi thế cho hệ thống tự động: mật độ kênh cao trên một khung, đồng bộ phần cứng giữa các mô-đun, và chuyển mã từ hệ thống để bàn sang tương đối nhẹ nhàng vì M9601A vẫn hỗ trợ lệnh SCPI.
Keysight M9601A làm được những gì trong một mô-đun?
Theo data sheet 5992-4192EN của Keysight, M9601A là mô-đun PXIe 3U chiếm 2 khe, nặng 0,55 kg, có thể hoạt động như nguồn áp/dòng chính xác bốn góc phần tư, như tải điện tử, như đồng hồ đo áp/dòng và như bộ phát xung — mà không phải đổi dây giữa các chế độ. Dải phủ từ 10 fA tới 315 mA và từ 500 nV tới 210 V, đo từ DC tới xung rộng tối thiểu 20 µs, lấy mẫu tối đa 1,25 MSa/s với bộ đệm 1 triệu điểm.
Cần đọc kỹ một chi tiết: 210 V và 315 mA không đồng thời. Vùng làm việc được chia ba nấc:
- ±21 V ở dòng tới ±315 mA — công suất tối đa 6,6 W;
- ±105 V ở dòng tới ±105 mA — 11 W;
- ±210 V ở dòng tới ±50 mA — 10,5 W.
Cả ba nấc đều cho phép phát hoặc hấp thụ công suất (source hoặc sink) ở cả bốn góc phần tư. Khi lên kịch bản đo, hãy đặt điểm làm việc lên sơ đồ này trước, rồi mới chọn dải.
Vùng làm việc bốn góc phần tư của Keysight M9601A (ảnh minh họa: Techmaster)
Độ phân giải 10 fA và nhiễu 30 fArms có nghĩa gì khi đo dòng rò?
Con số 10 fA là độ phân giải lập trình và đo, và chỉ đạt được ở hai dải thấp nhất là ±1 nA và ±10 nA. Độ phân giải không phải độ chính xác: ở dải ±1 nA, data sheet ghi độ chính xác ±(0,1 % + 1,5 pA + 1 fA × Vo), với thời gian tích phân 10 PLC. Nói cách khác, máy hiển thị được những bước 10 fA, nhưng sai số tuyệt đối của một lần đọc vẫn tính theo pico-ampe.
Con số 30 fArms là nhiễu đo dòng tại 1 PLC — một chu kỳ lưới, tức 20 ms với lưới 50 Hz. Điều kiện 50 Hz này trùng với lưới điện Việt Nam. Lưu ý đây là số liệu Keysight nêu ở phần giới thiệu tính năng, không nằm trong bảng chỉ tiêu. Theo so sánh của Keysight, mức nhiễu này thấp hơn ba lần so với một SMU PXIe thông thường ở cùng thời gian tích phân, và để đạt cùng 30 fArms thì SMU thông thường cần thời gian lâu hơn khoảng mười lần. Với bài toán đo dòng rò, thời gian tích phân ngắn hơn đồng nghĩa với số linh kiện đo được mỗi giờ nhiều hơn.
Tuy vậy, tốc độ ở dải thấp còn bị giới hạn bởi thời gian xác lập: ở dải 1 nA và 10 nA, thời gian xác lập dòng ra dưới 18 ms để vào trong 0,1 % giá trị cuối (tải 50 MΩ, bước 10–90 % dải, giới hạn áp 6 V). Kết quả tốt nhất ở mức femto-ampe cũng cần cáp triax nhiễu thấp và dây guard: M9601A dùng đầu nối triax cho high force và high sense, SMB cho low sense, và Keysight có cáp triax nhiễu thấp PX0102A dài 1,5 m hoặc 3 m. Các chỉ tiêu độ chính xác được công bố với điều kiện nhiệt độ 23 °C ± 5 °C, khởi động 40 phút, tự hiệu chuẩn trong 24 giờ trước đó và đấu nối Kelvin.
Keysight M9601A trong phòng lab đặc tính hoá linh kiện (ảnh minh họa: Techmaster)
Vì sao xung 20 µs và chế độ PS quan trọng khi đặc tính hoá bán dẫn?
Khi quét I-V bằng DC, dòng chạy qua linh kiện đủ lâu để làm nó nóng lên, và đường cong đo được là đường cong của linh kiện đã nóng. Đo bằng xung ngắn hạn chế hiệu ứng tự nung nóng này. M9601A lập trình được độ rộng xung từ 20 µs tới 1 s, bước lập trình 0,2 µs, sai số độ rộng 0,5 % ± 2 µs (đặc tính bổ sung, không phải chỉ tiêu bảo hành); độ rộng xung được tính từ 10 % sườn lên tới 90 % sườn xuống.
Mô-đun có hai chế độ vận hành. Ở chế độ tiêu chuẩn, nó hành xử như một SMU thông thường với tốc độ biến thiên 1 V/µs (giới hạn dòng 10 mA). Ở chế độ PS, sườn áp đạt tới 1,4 V/µs — với điều kiện đặt giới hạn dòng 50 mA, bước từ 0 tới 200 V, tải hở. Khác biệt thể hiện rõ trong số liệu quan sát của chính data sheet: nâng lên 200 V trên tải 100 kΩ, với giới hạn dòng 50 mA, thời gian chuyển tiếp là 2,5 ms ở chế độ tiêu chuẩn nhưng chỉ 140 µs ở chế độ PS. Đây là số liệu quan sát, không phải chỉ tiêu bảo hành, nhưng đủ để thấy vì sao, theo Keysight, chế độ PS giúp ghi lại đáp ứng quá độ của linh kiện mà không bị chính thiết bị đo làm chậm.
Kết hợp với lấy mẫu 1,25 MSa/s, một lần đo có thể ghi được cả dạng sóng đáp ứng của linh kiện trước một xung. Với các phép đo điện dung và điện tích cổng của MOSFET công suất — một bài toán khác trong cùng quy trình đặc tính hoá — xem thêm bài đo Ciss/Coss/Crss và điện tích cổng Qg.
Điện trở ngõ ra lập trình được giải quyết bài toán gì?
Mặc định, SMU cư xử như nguồn áp lý tưởng (điện trở trong gần bằng không) hoặc nguồn dòng lý tưởng (điện trở trong rất lớn). Tính năng điện trở ngõ ra lập trình được cho phép khai báo một điện trở nối tiếp khi phát áp, hoặc song song khi phát dòng — và điện trở nối tiếp có thể đặt giá trị âm.
Giá trị âm có một ứng dụng rất thực tế: triệt tiêu điện trở dây dẫn khi không thể đấu bốn dây Kelvin, chẳng hạn linh kiện đã đóng gói hoặc bo mạch không có điểm sense để dò. Cần lưu ý ba giới hạn trong data sheet: tính năng chỉ áp dụng cho ngõ ra DC, cần firmware 4.2 trở lên, và với tải điện trở thì điện trở nối tiếp phải nằm trong khoảng từ âm một nửa tới bằng điện trở tải; tải điện dung cũng có thể giới hạn giá trị này.
Checklist cấu hình Keysight M9601A cho phép đo dòng thấp và đo xung (ảnh minh họa: Techmaster)
Đưa M9601A vào hệ thống PXIe cần tính trước những gì?
Khe và công suất khung. Mỗi M9601A chiếm hai khe. Mục công suất tiêu thụ trong data sheet ghi 1,5 A ở đường +3,3 V và 3,5 A ở đường +12 V — Techmaster quy đổi ra khoảng 47 W lấy từ backplane (tính theo dòng ghi cho từng đường). Nhân con số đó với số mô-đun rồi đối chiếu với ngân sách công suất và làm mát của khung; bài chọn khung máy PXIe: watt mỗi khe, không phải băng thông giải thích cách tính này.
Đồng bộ. Đồng hồ lấy mẫu kế thừa độ chính xác từ PXIe_CLK100 của khung; mô-đun nhận và xuất trigger qua các đường trigger PXI 0–7 và hai cổng trigger ngoài, với độ trễ từ trigger vào tới lúc phát/đo không quá 5 µs và jitter không quá 4 µs. Đây là nền tảng để nhiều kênh SMU cùng bước vào một điểm đo.
Phần mềm. Mô-đun có driver IVI-C, IVI.Net và LabVIEW, dùng được với Visual Studio, MATLAB và VEE, kèm giao diện điều khiển mềm. Không muốn lập trình, có thể dùng phần mềm PX0109A Quick I/V: quét, lấy mẫu, vẽ họ đường cong và xuất CSV trên tối đa mười kênh SMU. PX0109A điều khiển cả M9601A lẫn các mô-đun cùng họ M9602A, M9603A, M9614A và M9615A — trong đó M9614A và M9615A là mô-đun năm kênh — nên có thể phối hợp mô-đun chính xác cao với mô-đun mật độ kênh cao trong cùng hệ thống. Tổng quan về cấu trúc một hệ PXI có ở bài hệ thống đo kiểm PXI Keysight gồm những gì.
An toàn và nối đất. Đầu low có thể nối đất khung hoặc để thả nổi, nhưng điện áp thả nổi DC tối đa giữa low force và khung là ±40 V. Tải điện dung tối đa là 100 μF ở các dải 100 mA và 300 mA (ESR từ 25 mΩ).
Keysight M9601A trong nhà máy bán dẫn (ảnh minh họa: Techmaster)
Vì sao SMU PXIe đáng quan tâm với ngành bán dẫn Việt Nam?
Chiến lược phát triển công nghiệp bán dẫn Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn 2050, ban hành theo Quyết định 1018/QĐ-TTg ngày 21/9/2024, đặt mục tiêu giai đoạn 2024–2030 hình thành ít nhất 100 doanh nghiệp thiết kế, một nhà máy chế tạo chip quy mô nhỏ và 10 nhà máy đóng gói, kiểm thử; doanh thu công nghiệp bán dẫn trên 25 tỷ USD/năm và nhân lực trên 50.000 kỹ sư, cử nhân.
Mỗi mắt xích trong chuỗi đó thường cần đo I-V: nhóm thiết kế cần đặc tính hoá linh kiện mẫu, nhà máy đóng gói – kiểm thử cần kiểm thử tham số và độ tin cậy, còn trường đại học và viện nghiên cứu cần thiết bị để đào tạo đúng quy trình công nghiệp. Với nhóm cần một hệ đo tự động, mở rộng được theo số kênh và đồng bộ chặt với các mô-đun khác, SMU PXIe là một kiến trúc đáng cân nhắc bên cạnh SMU để bàn.
Câu hỏi thường gặp về SMU PXIe Keysight M9601A
Độ phân giải 10 fA của Keysight M9601A có ở mọi dải không?
Không. Độ phân giải 10 fA chỉ có ở hai dải ±1 nA và ±10 nA, và đó là độ phân giải chứ không phải độ chính xác. Ở dải ±1 nA, độ chính xác là ±(0,1 % + 1,5 pA + 1 fA × Vo) với thời gian tích phân 10 PLC. Các dải cao hơn có độ phân giải thô hơn, ví dụ 100 fA ở dải ±100 nA.
M9601A có phát được 210 V và 315 mA cùng lúc không?
Không. Vùng làm việc chia thành ba nấc: ±21 V ở tối đa ±315 mA (6,6 W), ±105 V ở tối đa ±105 mA (11 W) và ±210 V ở tối đa ±50 mA (10,5 W). Công suất ngõ ra tối đa của mô-đun là 11 W, phát hoặc hấp thụ ở cả bốn góc phần tư.
Sườn áp 1,4 V/µs có luôn đạt được không?
Không. Con số 1,4 V/µs là của chế độ PS, với giới hạn dòng 50 mA, bước từ 0 tới 200 V và tải hở. Ở chế độ tiêu chuẩn với giới hạn dòng 10 mA, tốc độ là 1 V/µs. Tải thực tế và giới hạn dòng khác đi thì thời gian chuyển tiếp cũng khác.
Có cần lập trình mới dùng được M9601A không?
Không bắt buộc. Mô-đun có giao diện điều khiển mềm, và phần mềm PX0109A Quick I/V cho phép quét, lấy mẫu, vẽ đồ thị và xuất CSV trên tối đa mười kênh SMU mà không cần viết mã. Khi cần tự động hoá, mô-đun hỗ trợ SCPI cùng driver IVI-C, IVI.Net và LabVIEW. PX0109A được bán theo giấy phép (thuê bao 36 tháng, có bản dùng thử 30 ngày; yêu cầu Windows 10 64-bit).
Kết luận
Keysight M9601A đưa một SMU độ chính xác — độ phân giải dòng 10 fA ở hai dải thấp nhất, áp tới 210 V, xung tới 20 µs — vào không gian hai khe PXIe. Để khai thác đúng, hãy đọc mỗi con số cùng điều kiện của nó: 10 fA thuộc về hai dải thấp nhất, 1,4 V/µs thuộc về chế độ PS, điện trở âm chỉ dành cho ngõ ra DC. Làm được việc đó, SMU PXIe trở thành một khối dựng tốt cho hệ thống đặc tính hoá linh kiện bán dẫn và kiểm thử tham số.
Xem trang sản phẩm Keysight M9601A và mô-đun nguồn-đo PXIe dòng cao hơn Keysight M9111A (tới ±3 A ở 6 V), so sánh với SMU để bàn trong bài B2902C hay B2901C, xem trang M9601A trên keysight.com, hoặc trang tổng hợp giải pháp Keysight. Cần tư vấn cấu hình khung, mô-đun, cáp triax hay phương án hiệu chuẩn, hãy liên hệ Techmaster.
