Caratterizzazione dei dispositivi di potenza con il Parametric Curve Tracer (PCT)

Come tutti gli strumenti e le tecnologie, anche i semiconduttori devono essere conosciuti a fondo e studiati con precisione. Il loro comportamento è sempre deterministico ma la verifica è certamente indispensabile. Quello di cui parliamo è proprio questo aspetto: la caratterizzazione. E ci focalizzeremo su dispositivi di potenza e strumentazione. Siete pronti?

Quando si parla di semiconduttori è facile pensare all'elettronica discreta; al diodo piuttosto che al transistor. Ma l'elettronica non è soltanto componentistica discreta perché, per fortuna, la ritroviamo in qualunque campo della tecnica. Soprattutto oggi.

L'altissima richiesta di un mercato perennemente in espansione non soltanto per tipologie di strumenti ma soprattutto per tecnologie ad esse connessi, fanno dei semiconduttori una vera e propria avanguardia dell'evoluzione.

Come sappiamo, però, tutti i dispositivi che esistono hanno bisogno di essere verificati, controllati, esaminati e revisionati, soprattutto nel corso del tempo per accertarci che la resa ed il funzionamento non siano stati alterati. Con queste premesse trattiamo la caratterizzazione dei dispositivi di potenza grazie a strumenti opportuni.

Per svolgere questa'operazione è necessario uno strumento che prende il nome di Parametric Curve Tracer. A cosa serve? Elabora una serie di valori di tensione e di corrente e li utilizza per stimolare i dispositivi. Sebbene l'operazione sia concettualmente davvero così semplice, non fatevi ingannare: fare qualcosa di questo tipo è davvero un'attività complessa. Servono strumenti, ma anche collegamenti (e quindi cavi), di altissima precisione ed affidabilità.

Il progetto e la configurazione dei sistemi di test per la caratterizzazione in DC dei semiconduttori di potenza tramite i sistemi denominati SMUs, cioè Source Measurements Units, si compongono di passi concettuali seguenti:

  • selezione della strumentazione adeguata;
  • selezione della cablatura di connessione al DUT;
  • verifica della sicurezza e della protezione della strumentazione;
  • ottimizzazione del setup per garantire l'integrità della misura;
  • controllo hardware.

I dispositivi discreti di potenza sono progettati in maniera tale da funzionare in due stati: ON e OFF. Nel primo caso, forniscono potenza al carico e dimostrano alta efficienza, dal momento che non consumano. Nello stato di OFF, invece, la situazione è duale, tanto è vero che al carico non arriva quasi più potenza e la corrente di stand-by è piccola. È proprio questa caratteristica che viene sfruttata e tra un attimo vedremo meglio perchè.

I valori più facilmente interessanti nelle applicazioni di potenza superano abbondantemente i 200 V in tensione, per arrivare fino a valori di 2 o addirittura 3 kV, naturalmente, anche la corrente non fa eccezione: i valori sono molto alti, 50, 60 Ampere.

Per essere più precisi, la strumentazione è in grado di lavorare:

  • fino a 50 A @ 2 kW (è possibile arrivare a 100 A con 2 SMU al lavoro);
  • fino a 3 kV @ 60 W, 1.5 kV @ 180 W;
  • misurando sub-picoamp;
  • fino a 1 A o 3 A DC con SMU low power (ideale per BJT con grandi correnti di Base).

Abbiamo trovato interessanti le caratteristiche di un Parametric Curve Tracer della Keithley. Il modello che più ci ha interessato è il 2600-PCT, un esponente di una famiglia piuttosto numerosa (conta 11 strumenti differenti) le cui caratteristiche fondamentali vedete riassunte nella tabella che segue.

Quella che vi abbiamo appena mostrato viene considerata una guida per la selezione dello strumento più opportuno. E non c'è da meravigliarsi, dal momento che si tratta di un prontuario che restituisce immediatamente l'idea che lo strumento possa essere utile alla vostra applicazione oppure no, dandovi subito la visione complessiva dei valori cui si riferisce.

Qui di seguito, invece, trovate un prontuario dei parametri tipici:

(fai click sulla tabella per ingrandirla)

Come potete notare voi stessi, non si tratta di uno strumento di uso comune e giornaliero ma si colloca in una realtà sviluppata e professionale. Ci rivolgiamo, quindi, soprattutto a tutti gli ingegneri ed i progettisti che hanno bisogno di equipaggiamento adatto ad uno scopo altamente professionale e qualificato.

I test tipici che possono essere effettuati sui dispositivi dipendono, ovviamente, dal dispositivo di nostro interesse.
Per quanto concerne i BJT abbiamo componenti di leackage (IEB, IEC, IEVEB ed ICVCB) ma anche guadagno (il parametro ibrido hFE), e negli stati di ON le grandezze caratteristiche come IBias, VCE e così via dicendo.

Analoghe considerazioni sono da farsi per tutti gli altri dispositivi che possono essere sottoposti ad esami, quali MOSFET, Diodi, Resistenze e Capacità. Se per queste ultime, però, il parametro di test è proprio la IV, per i MOSFET la gamma di test è ben più variegata: il guadagno (gm), tutte le grandezze caratteristiche del suo funzionamento (quali ID, VD e componenti di perdita (quali IGL, ISL e IDL).

Come dicevamo prima, tutta la caratterizzazione dipende dai dispositivi. Perchè sul MOSFET agiamo valutando questi parametri? Anche il MOSFET ha uno stato di ON ed uno di OFF. Un nMOS in OFF va studiato con alte tensioni al Drain. Tutti gli altri terminali sono pilotati con basse tensioni. Al contrario, nello stato di ON, la corrente passa attraverso Source e Drain, e pertanto questi terminali sono quelli da verificare, anzichè quelli di controllo.

La vostra operatività sarà garantita da uno strumento software davvero irrinunciabile, l'ACS Basic Edition.
Si tratta di un tool progettato proprio per sfruttare le elevatissime potenzialità della strumentazione in oggetto; tutto questo grazie ad un parco librerie davvero invidiabile.
A differenza di molti altri sistemi, il software permette agli utenti una grande flessibilità nell'impostazione e nella configurazione.

Se volete saperne di più di questo prodotto e conoscerne ogni dettaglio tecnico e funzionale, potete contare sul supporto tecnico di Giakova, presso il cui catalogo il 2600-PCT è disponibile.

Main image credits: Giakova.

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2 Commenti

  1. Gius_Res Gius_Res 25 Giugno 2014
  2. gfranco78 gfranco78 26 Giugno 2014

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