Cos’è una Source Measure Unit o SMU?

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di Doug Mercer

Analog Devices Inc.

Definire in modo opportuno la curva caratteristica di un componente, sia per motivi di studio che professionali, non è un compito banale. Con il dispositivo di Analog Devices descritto in questo articolo si risolve elegantemente il problema, mantenendo la sincronizzazione delle misure.

Un Source Measure Unit (SMU) è uno strumento che combina una funzione di generazione del segnale e una di misura sullo stesso pin o connettore. Può generare tensione o corrente e contemporaneamente misurarle. Integra le capacità di un alimentatore o generatore di forme d’onda, di un multimetro digitale (DMM) o oscilloscopio, di una sorgente di corrente e di un carico elettronico, il tutto in un unico strumento fortemente sincronizzato.

Figura 1. Schema a blocchi di un canale SMU ADALM1000.

Il dispositivo ADALM1000 è fondamentalmente una SMU, ma può anche essere considerato solo come un oscilloscopio o un generatore di forme d’onda. Tuttavia, poiché la funzione di output (generatore) e la funzione di input (oscilloscopio) condividono un pin, può essere utilizzata una sola funzione alla volta.

Perché è importante avere una SMU programmabile?

Per alcuni tipi di test non serve uno strumento programmabile: in questi casi basta leggere un solo valore alla volta, o per poche volte. Tuttavia in altri test può essere necessario raccogliere molti dati in modo da generare un grafico delle prestazioni nel tempo. Farlo manualmente richiederebbe molto tempo e può generare errori. Esistono anche diversi esperimenti che necessitano di una raccolta automatica dei dati per ottenere misurazioni più rapide e accurate, oppure su un arco di tempo più lungo (mesi o addirittura anni). In questi casi è indispensabile un computer per raccogliere i dati ed esportarli in un database per l’analisi.

A cosa servono le tensioni negative?

Non tutti gli esperimenti richiedono tensioni negative. Tuttavia, molti dispositivi funzionano in modo diverso se viene applicata una tensione positiva o negativa. Per capire appieno come funzionano questi dispositivi, dobbiamo essere in grado di cambiare il segno della tensione applicata. Ogni canale SMU dell’ADALM1000 può produrre solo una tensione da 0V a 5V rispetto alla massa. Sono previste uscite fisse da 2,5V e 5V in grado di fornire la corrente sia in sink che in source. Il DUT può essere collegato tra l’uscita a 2,5V e l’uscita SMU piuttosto che a terra, in modo da poter variare la tensione attraverso il DUT da -2,5V a +2,5V. Inoltre, poiché ADALM1000 ha due SMU, il DUT può essere collegato tra le due uscite SMU. Se un canale fa uno sweep da 0V a 5V mentre l’altro varia da 5V a 0V, la tensione attraverso il DUT varia da -5V a +5V.

Ad esempio, si consideri un diodo, un dispositivo che permette all’elettricità di passare in una sola direzione. Per valutare se un diodo è in funzione, è necessario verificare se la corrente passa in entrambe le direzioni. Possiamo farlo in uno dei due modi seguenti. Possiamo misurare il diodo in una direzione, ruotarlo manualmente e misurarlo nell’altra direzione, per poi combinare i set di dati. Oppure possiamo semplicemente misurare il flusso di corrente quando applichiamo tensioni positive o negative. Infatti, questa tecnica è così utile che viene utilizzata per caratterizzare molti tipi di dispositivi che hanno un comportamento simile a quello dei diodi: le celle solari e i LED sono due buoni esempi. La figura 2 mostra come collegare un diodo all’ADALM1000 per portare la tensione da -5V a +5V.

 

Figura 2. Diodo che passa da –5 V to +5 V.

 

Con il canale A programmato per passare da 0V a 5V e il canale B programmato per passare da 5V a 0V, la differenza tra i canali appare attraverso la resistenza, che viene utilizzata per limitare la corrente e il diodo. Le forme d’onda del dominio del tempo sono mostrate nella Figura 3. La traccia verde è la tensione del canale A, la traccia arancione è la tensione del canale B, e la traccia gialla è la corrente del canale B (la corrente del canale A non viene mostrata, ma sarebbe semplicemente l’inverso della corrente del canale B).

 

Figura 3. Tensione e forme d’onda vs. tempo.

Possiamo tracciare queste misure l’una rispetto all’altra ed eseguire allo stesso tempo qualche semplice calcolo. Vogliamo individuare la corrente attraverso il diodo rispetto alla tensione attraverso il diodo. Per calcolare la tensione, possiamo sottrarre la caduta di tensione attraverso il resistore (V = I × R) dalla differenza tra le tensioni dei canali A e B. Osserviamo la seguente equazione Python (usata in ALICE):

Dove 100 è il valore della resistenza. Il grafico della corrente del diodo rispetto a tale equazione è mostrato in Figura 4.

Figura 4. Grafico della corrente rispetto alla tensione da –5 V a +5 V.

Quali sono le applicazioni di una SMU?

Molti oggetti di uso quotidiano vengono testati con una SMU come parte delle verifiche di fabbrica e controllo qualità. Se utilizzate i LED per illuminare la casa o disponete di pannelli solari sul tetto, di sicuro saranno stati testati con una SMU come parte del processo di produzione. L’ADALM1000 è stato progettato per l’uso da parte di studenti di ingegneria che stanno studiando la nuova generazione di dispositivi elettronici. Per comprendere che un gran numero di materiali e dispositivi conducono elettricità, dai nanotubi di carbonio alle eterostrutture a pozzo quantico, dalle biomembrane ai biosensori, serve una SMU. In breve, è possibile utilizzare l’ADALM1000 per comprendere le caratteristiche elettriche di qualsiasi componente a corrente continua o a basse frequenze in un intervallo di tensione da -5V a +5V, misurando la corrente da ±0,1mA a 180mA.

Quale può essere un esempio specifico di misura che necessita di una SMU?

Prendiamo l’esempio di una cella solare. Nei laboratori di ricerca, gli ingegneri stanno cercando di rendere le celle solari più efficienti e convenienti. Per capire come funziona una cella solare, viene prodotto un dispositivo di prova su piccola scala – da pochi mm quadrati a pochi cm quadrati di dimensione – e quindi vengono osservate le sue prestazioni. Queste celle di prova sono troppo piccole per generare qualsiasi potenza utilizzabile al di là dell’illuminazione, ad esempio, di un singolo LED, ma sono abbastanza grandi da caratterizzare il campo di funzionamento di base e l’efficienza.

La caratteristica chiave di una cella solare è l’efficienza con cui converte l’energia solare in energia elettrica. La procedura può avvenire illuminando la cella di prova con un’intensità di luce nota e misurando la potenza elettrica prodotta per unità di superficie. Poiché la potenza è la tensione moltiplicata per la corrente, il punto di partenza è misurare la tensione terminale (V) e la corrente prodotta (I). La tensione generata può essere misurata collegando un voltmetro attraverso i terminali delle celle mentre è illuminato. Analogamente, una corrente può essere misurata utilizzando un amperometro attraverso i terminali delle celle. Se dividiamo la corrente misurata per l’area della cella solare, otteniamo la densità di corrente.

Tuttavia, c’è un problema: se moltiplichiamo la tensione per la corrente (o densità di corrente), scopriamo solo quanta potenza (o potenza per unità di superficie) potremmo generare se avessimo un dispositivo ideale. La ragione è che un voltmetro ha una resistenza interna quasi infinita, e quando misuriamo la tensione da sola, non ci sarà corrente che scorre al suo interno. In questo caso, la potenza generata è pari a zero (tensione misurata × zero corrente = zero corrente = zero). Questa misura è chiamata tensione a circuito aperto. Allo stesso modo, quando posizioniamo l’amperometro tra i terminali per misurare la corrente, stiamo testando la cella quando è cortocircuitata, perché un amperometro dovrebbe avere una resistenza interna quasi nulla. In questo caso, c’è corrente che scorre ma nessuna tensione applicata. Anche qui non c’è potenza generata (corrente misurata × tensione zero = zero). Questa misura è chiamata corrente di cortocircuito. Per ogni cella solare (reale) funzionante, la tensione emessa dipenderà da quanta corrente viene prodotta ed è per questo motivo che viene utilizzata una SMU, in modo che la tensione possa essere variata mentre si misura la variazione di corrente.

Il grafico in Figura 5 mostra una tipica curva IV per una piccola cella solare (in questo caso, una cella di 3cm × 3cm di un faretto da giardino). La corrente è negativa perché entra (in caduta di corrente) nel canale SMU. La corrente a 0V è la corrente di cortocircuito e la tensione a zero corrente è la tensione di circuito aperto.

Figura 5. Cella solare I vs. grafico V. asse x: tensione (V), asse y: corrente I (mA).

La curva IV ci dice come cambiano tensione e corrente e ci permette di calcolare l’effettiva quantità di potenza che una cella solare genera. La figura 6 mostra la potenza in mW rispetto alla tensione attraverso la cella. La potenza è semplicemente V × I. La seguente equazione di Python calcola la potenza in mW:

 

Figura 6. Potenza della cella vs. tensione. asse x: tensione (V), asse y: P – mW

Il picco del grafico è il punto in cui viene generata la massima potenza (il cosiddetto Maximum Peak Power Point – punto di massima potenza di picco). La potenza è negativa perché l’SMU sta assorbendo la potenza prodotta dalla cella. Usando la tecnica della Figura 2, potremmo anche misurare la cella solare quando viene applicata una tensione negativa (reverse bias). Questo ci fornisce alcune informazioni utili. In primo luogo, ci dice che il dispositivo non si rompe in caso di polarizzazione inversa. Questo è un segno che il dispositivo è di buona qualità. In secondo luogo, rivela se c’è corrente supplementare disponibile. Applicando una tensione negativa, possiamo effettivamente estrarre dal dispositivo delle cariche che altrimenti non verrebbero estratte. Anche se queste cariche non possono essere utilizzate per generare energia (a questo punto stiamo mettendo energia nel dispositivo, invece di estrarla), ci servono per capire alcuni dei meccanismi di dispersione di corrente fotoelettrica. Pertanto, la misurazione delle curve IV è uno degli strumenti più importanti utilizzati nello sviluppo e nell’ottimizzazione delle celle solari. Allo stesso modo, le curve IV sono estremamente importanti per comprendere molti tipi di dispositivi, tra cui LED e OLED, transistor, sensori e altri.

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