Il progresso tecnologico degli ultimi decenni è stato incentivato dalla capacità di individuare, caratterizzare e sviluppare nuovi materiali per i diversi settori applicativi come le costruzioni, produzione e trasporto di energia, trasporto terrestre, comunicazioni.
Strumenti e tecniche di caratterizzazione dei materiali
L’evoluzione della tecnologia dei microsistemi ha richiesto lo sviluppo di strumenti e tecniche in grado di caratterizzare le proprietà dei diversi materiali e compositi che possono essere impiegati per la realizzazione di nano e micro dispositivi, sensori e attuatori.
Caratterizzazione elettrica e termica
In ambiti quali la microelettronica, le microonde, la conversione diretta dell’energia, la componentistica nell’infrarosso e in generale l’optoelettronica, ha assunto grande importanza la caratterizzazione elettrica e termica di superconduttori, semiconduttori composti, materiali amorfi, ceramici avanzati e polimeri compositi, condotta con estrema accuratezza e ripetibilità.
Giakova propone soluzioni di misura per molti ambiti operativi, ad esempio:
- Progettazione di dispositivi a semiconduttore
- MOSFET – dispositivi di potenza a semiconduttore
- Misure sugli isolanti – alte resistenze
- Misure sui superconduttori
- Celle fotovoltaiche
- Soluzioni per i Sistemi di Misura e il Probing
- Analisi termica del materiale sotto stress
- Mappatura termica del sistema di test
Giakova propone soluzioni di misura per molti ambiti operativi, ad esempio:
Misure sugli Isolanti – alte resistenze
La proprietà fondamentale degli isolatori è la resistività che è utilizzata per determinare il punto di scarica dielettrica, il fattore di dissipazione, il contenuto di umidità, la continuità meccanica e altre importanti proprietà di un materiale.
La resistività di un isolatore è misurata applicando una tensione nota e misurando la corrente risultante, mentre la resistenza viene calcolata usando la legge di Ohm. Quindi la resistività è determinata sulla base delle dimensioni fisiche del campione in prova.
Anche se il principio di misura è semplice il set-up richiesto prevede l’uso di una sorgente ad alta tensione accurata e di un misuratore di corrente in grado di risolvere i pA e un set di accessori specifici.
Caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore
La caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore richiede di valutare in modo molto accurato tre tipi di relazioni: curva I-V in DC, C-V (misura di impedenza in AC) e I-V transiente.
Le tre misure possono essere effettuate in modo simultaneo utilizzando un unico sistema di misura SMU (source-measure units) e i risultati possono essere correlati con estrema accuratezza.
Ad esempio, il sistema per misure in bassa corrente permette di apprezzare correnti nell’ordine di 0,1 fA, e di misurare capacità che variano da fF a nF per frequenze di utilizzo che spaziano da 10 kHz a 10 MHz. E’ anche possibile memorizzare le misure I-V fino a un milione di punti-campione e di utilizzare una velocità di campionamento fino a 5ns.
Leggi l’approfondimento:
Celle fotovoltaiche
MOSFET – dispositivi di potenza a semiconduttore
Per i sistemi fotovoltaici è di fondamentale importanza l’uso di una elettronica efficiente per ottenere prestazioni ottimali.
La ricerca su come le celle fotovoltaiche di diversa composizione rispondano alle mutevoli condizioni di insolazione è indispensabile per la nostra società che punta ad utilizzare fonti energetiche rinnovabili e a massimizzare in generale l’efficienza dell’utilizzo energetico.
La caratterizzazione elettrica è importante per determinare l’efficienza delle celle nel trasformare l’energia fotonica in energia elettrica e minimizzare le perdite (energia termica).
I diversi test elettrici sono usualmente condotti sottoponendo le celle a stress ottici e termici. I parametri del dispositivo fotovoltaico che possono essere estratti dalle relazioni di tipo elettrico (curva I-V in DC, C-V, misura di impedenza in AC, e I-V impulsata) sono la corrente di uscita, l’efficienza di conversione, la potenza massima, la densità di doping, la resistività, etc.
Questi parametri sono utilizzati per elaborare il trend di degrado della cella sottoposta a stress e quindi per stimare la vita della cella sottoposta a normali condizioni di esercizio.
I dispositivi di potenza a semiconduttore rappresentano il “cuore” dell’elettronica di potenza moderna poiché il loro uso è ampiamente collegato alle conversioni di energia e alla loro efficienza.
Spesso è necessario testare il dispositivo ad alte frequenze per simulare la funzionalità dello stesso nelle normali condizioni di esercizio. A tale scopo è possibile costruire la curva I-V impulsata utilizzando SMU a due canali che garantiscono la sincronia delle misure.
Misure sui superconduttori
La superconduttività scoperta dal fisico Heike Kamerlingh Onnes nel 1911, ovvero l’annullamento della resistenza di alcuni materiali in particolari condizioni, è estremamente interessante in molte applicazioni pratiche dove sono in gioco elevate energie.
La caratterizzazione dei materiali superconduttori richiede la capacità di misurare correnti molto basse a livello di nano ampere o inferiori con una caduta di tensione minima; il sistema di misura richiesto può essere composto da picoamperometri e SMU.
Soluzioni per i Sistemi di Misura e il Probing
La caratterizzazione dei materiali pone spesso al ricercatore il problema di scegliere il sistema di misura più corretto (singolo o multiplo) e di connettere il campione in prova alla strumentazione di misura.
Tutte le soluzioni proposte da Giakova contemplano la strumentazione di misura Keithley che ha le seguenti imprescindibili caratteristiche:
- Alta stabilità
- Elevate risoluzioni
- Ottima sensibilità
- Estrema accuratezza delle stime
- Possibilità di sincronizzare le diverse apparecchiature per realizzare sistemi dimisura complessi
- Adeguata velocità di misurazione e di campionamento
- Ripetibilità delle misure
- Ampia selezione di probe station, micro-posizionatori, punte di contatto da 0,3 um a 200um e punte di misura a 4 contatti
