Anahtar Kazanımlar:
- Yarı iletken cihazların ve materyallerin doğrusal olmayan kompleks davranışları geniş aralıklı voltaj ve akımlarda karakterize edilmeleri için eğri izleyiciler gerektirir.
- Eğri izleyiciler, yarı iletken endüstrisinde hem tasarım aşamasında modelleme ve simülasyon için, hem de seri üretim aşamasında doğrulama otomatizasyonu için yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Eğri izleyiciler aynı zamanda güç elektroniği ve elektrikli araç sektörlerinde de kullanılmaktadır.
Çoğu yarı iletken cihazın elektriksel davranışları basit doğrusal ilişkiler kullanılarak modellenemez. Bu cihazlar farklı çalışma koşullarında dinamik, doğrusal olmayan, kompleks cevaplar sergilerler. Bununla beraber, bu davranışları detaylıca anlamak kritik önem taşımaktadır çünkü bu cihazların doğru kullanımda teknik bağlamda ve işletme süreçleri bağlamında birçok avantajı bulunmaktadır.
Eğri izleyiciler bu derinlemesine analiz sürecini kolaylaştıran ekipmanlardır. Bu yazıda, eğri izleyicilerin ne olduğunu, ne ölçebildiklerini, farklı endüstrilerdeki kullanımlarını ve nasıl çalıştıklarını inceleyeceğiz.
Eğri İzleyici nedir?
Görsel 1: Yarı İletken Cihaz Karakteristikleri
Elektronikte, eğri izleyiciler mühendis ve tasarımcılara çoklu faaliyet bölgeleri, doğrusal olmama ve asimetri gibi kompleks davranışlar sergileyen yarı iletken cihaz ve materyallerin önemli DC karakteristiklerinin ölçümü konusunda yardımcı olur.
Bu gibi karakteristikler geleneksel olarak akım-gerilim eğrilerinden ibaret olmuştur. Fakat, Keysight B1505A gibi modern eğri izleyiciler gelişmiş kapasitans ölçümleri, kapı yük ölçümleri, akım çöküş ölçümleri ve en ileri geniş bant aralığı sunan, silisyum karbür (SiC), galyum nitrat (GaN) ve galyum oksit (Ga2O3) gibi yarı iletkenlerin karakterizasyonu ile bu eğrilerin çok ilerisinde analizler yapabilmektedir.
Bu kompleks davranışları analiz etmek yarı iletken üretimi, elektrikli araçlar ve güç elektroniği gibi birçok endüstride devre ve cihazların tasarım ve testi için kritik önem taşımaktadır. Doğrusal ilişkiler sergilemediklerinden, anlaşılmaları için en kolay yöntem, cevapları bir grup girdi ve çalışma koşuluna bağlı olarak görselleştirmektir.
Eğri İzleyiciler Enstrüman mıdır, Enstrüman Yazılımı mı?
Geleneksel olarak, Eğri İzleyiciler analog osiloskoplara benzer test ekipmanlarıydı.
Günümüzde, mühendisler kaynak ölçüm üniteleri (SMU) ve güç cihazı analizörleri gibi, eş-zamanlı olarak hem akım kaynağı hem de alıcısı olarak kullanılabilen çok amaçlı enstrümanlar üzerinde çalışan eğri izleyici yazılımları kullanmaktadır.
Eğri İzleyici ile Standart Multimetre Arasındaki Farklar Nelerdir?
Aşağıda, eğri izleyiciler ve standart multimetreler arasındaki bazı önemli farklar listelenmiştir:
- Bir eğri izleyici hem kaynak hem de ölçüm kapasitesine sahiptir, geniş akım ve gerilim aralıklarını desteklemektedir. Bir multimetrenin sadece ölçüm kapasitesi bulunmaktadır.
- Bir eğri izleyici hem bölgesel hem de tarama ölçümleri yapıp bunları grafik formatında gösterebilir. Multimetre sadece bölge ölçümlerini destekler ve bunları kullanışlı grafik formatları yerine değerler olarak gösterir.
- Keysight B1500A gibi modern bir eğri izleyici, ürün geliştirme ve test süreçlerini hızlandırmak için güçlü veri analiz fonksiyonalitesi sunan Keysight EasyEXPERT group+ gibi yazılımlarla beraber gelir. Multimetrelerde böyle bir veri analiz kapasitesi bulunmamaktadır.
- Bir eğri izleyici tipik olarak cihaz karateristiklerini gerçek zamanda control etmek için sezgisel ve interaktif tarama kontrolüne imkan sunan bir dönen düğmeye sahiptir. Bir multimetre tarama için bu gibi kolay kullanım sunan kontrollere sahip değildir.
Eğri İzleyicilerde Herhangi Bir Ortak Problem veya Limitasyon Bulunur Mu?
Geleneksel I-V eğri izleyicileri genellikle yalnızca modern yarı iletkenlerin kompleks çalışma davranışlarını anlamak için yeterli olmayan akım-gerilim ölçümleri kapasitesine sahiptir.
Keysight eğri izleyicileri bu limitasyonları yalnızca yüksek hassasiyette I-V ölçümleri değil, aynı zamanda C-V, kapı yükü ve akım çöküş karakterizasyonu sunarak aşmaktadır.
Eğri İzleyiciler ile Hangi Cihaz veya Materyaller Test Edilebilir?
Eğri izleyiciler ile test edilebilen cihaz ve materyaller aşağıdaki gibidir:
- N-kanal ve P-kanal alan etki transistörleri (FET’ler)
- Metal-oksit yarı iletken FET’ler (MOSFET’ler)
- Negatif-pozitif-negatif (NPN) ve pozitif-negatif-pozitif (PNP) bipolar birleşim transistörler (BJT’ler)
- İzole kapılı bipolar transistörler (IGBT’ler)
- Diyotlar
- Tristörler
- Yonga plakaları ve yonga plakası seviyesi cihazlar ile birlikte entegre devre fabrikasyonu sırasında modül ve paketler
- Otomatik toplu test sırasında münferit elemanlar
- Geniş bant aralığı olan SiC, GaN ve Ga2O3 de dahil olmak üzere yarı iletken materyaller
Modern Bir Eğri İzleyici Hangi Karakteristikleri Ölçebilir?
Eğri izleyicileri aşağıda görüldüğü üzere birçok farklı cihaz parametresini ölçebilir ve analiz edebilir:
- Gerilim ve Akım: MOSFET’lerde kaynak – çıkış terminali değerlerini (Id – Vds) ve BJT’lerde kolektör – emiter çıkış değerlerini (Ic - Vce) ölçebilir.
- Dayanma Gerilimi: Dayanma geriliminin (BVds ve BVce) ilerisine geçildiğinde aşırı akım debisi ve termal kaçaklar oluşabilir.
- Eşik Gerilim: Bir FET için eşik voltaj değeri kaynak ve çıkış terminali arasında iletken bir kanal oluşturmak için gerekli minimum kapıdan çıkış terminaline voltaj (Vth) değeridir. Bir IGBT için ise kapıdan emitere cihazın açılmaya başladığı voltaj (Vgeth) değeridir.
- Çalışır Direnç: Bir FET’in çalışır durumda iken (Rds – on) direncidir.
- Kapı Yük Parametreleri: N-kanallı MOSFET’lerin ve IGBT’lerin anahtarlama performansını anlamak için kritiktir. Cihazı açmak için gerekli toplam kapı yükü (Qg), eşik gerilimde kapı yükü (Qgth), kapı-kaynak yükü (Qgs), kapı – çıkış terminali yükü (Qgd), anahtarlama sırasında kapı yükü (Qsw), ve daha birçok veriyi kapsar.
- Kaçak Akım: Çıkış kaçak akımları (Idss ve Ices) ve kapı kaçak akımları (Igss ve Iges) güç kayıplarını karakterize etmek için kritik önem taşımaktadır.
- Kapasitans: Anahtar kapasitanslar, giriş kapasitansı (Ciss), çıkış (Coss), tersine (Cres), kapı-kaynak (Cgs), kapı-çıkış terminali (Cgd) ve benzeri kapasitansları kapsar.
Eğri İzleyiciler Farklı Sektörlerde Nasıl Kullanılır?
Eğri izleyiciler aşağıda da görüldüğü üzere birçok kritik endüstride tasarım ve test için temel bileşenlerden biridir.
Yarı İletken Sektörü
Görsel 2: Yonga Plakası üzerinde B1500A Eğri İzleyicisi kullanılarak I-V ve C-V ölçümleri
Eğri izleyiciler üretimde olduğu kadar entegre devreler ve çipe yerleşik sistemlerde (SoC) de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Entegre Devre Tasarımı
Entegre devre tasarım sürecinde, simülasyonlar çipin davranışını öngörebilmek için yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu simülasyonlar için cihaz modelleri iki yol ile elde edilir: fizik prensipleri üzerinden türetilen teorik modeller veya benzer cihazlardan alınan ölçümlere dayalı empirik modeller. Eğri izleyiciler bu ölçümlerin elde edilmesi için sıklıkla kullanılır.
Örneğin, Angelov-GaN, GaN cihazlar için yaygın olarak kullanılan, eğri izleyicilerden elde edilen I-V ve C-V ölçümlerinden oluşan empirik bir modeldir. Benzer olarak, GaN cihazlar için DynaFET yapay sinir ağı modeli de eğri izleyicilerden gelen ölçümler ile eğitilmiş bir modeldir.
Entegre Devre Üretimi
Eğri izleyiciler otomatik cihaz testi ve doğrulaması için entegre devre tasarımının Ar-Ge, yonga üretimi, ve son ürün testi gibi aşamalarında yaygın olarak kullanılır. Yonga üzerinde testler için eğri izleyiciler yonga problama makinelerine entegre edilmiştir. Yonga problayıcı, her bir kılavuz üzerindeki anahtar noktalara temas eden problardan oluşan bir tarafa sahiptir. Diğer tarafta ise problayıcıyı uygun aksesuarlar ile eğri izleyiciye bağlayan terminaller bulunur. Bu şekilde, eğri izleyici her bir kılavuz ile elektriksel bağlantı oluşturmuş olur. Yonga problayıcı her kılavuzu probun altına pozisyonladığından, eğri izleyiciye ilgili ölçümleri yapması için talimat verir.
Benzer testler eğri izleyiciler kullanılarak paketleme öncesi ve sonrası aşamalarında gerçekleştirilir.
Elektrikli Araçlar
Eğri izleyiciler elektrikli araç (EV) endüstrisinde aşağıdaki amaçlarla kullanılır:
- Komponent Testleri: Eğri izleyiciler invertör, dönüştürücü vb. yüksek-gerilim sistemleri gibi EV komponentlerinde kullanılan yarı iletkenlerin testleri için kullanılabilir.
- Araştırma: Eğri izleyiciler batarya ve diğer elektronik komponentler için yeni materyal ve teknoloji araştırmalarında kullanılabilir.
Güç Elektroniği
Eğri izleyiciler güç elektroniği ve güç cihazı testlerinde aşağıdaki amaçlarla kullanılır:
- Cihaz Karakterizasyonu: B1506A Power Device Analyzer gibi eğri izleyiciler, çöküş gerilimi, çalışır direnç ve kapasitans gibi temel güç cihazı parametrelerinin hata analiz ve karakterizasyonuna olanak tanır. Bu mühendislerin çalışma koşullarında doğru performans sergileyecek cihazlar seçmelerini sağlar.
- Doğru Ölçüm Otomatizasyonu: Otomatize edilmiş I-V ölçümleri manuel olarak yeniden kablolama ile gelen test süresi ve eforu azaltır. Darbeli akım ölçümleri kendiliğinden ısınma etkilerini minimize ederek cihazın gerçek performans karakteristiklerinin yakalandığından emin olur.
- Termal Davranış Testi: Eğri izleyiciler geniş sıcaklık aralıklarında (-50 °C to +250 °C) hızlı termal testlere olanak tanır. Cihaz davranışlarını farklı gerçek dünya termal koşullarında anlamak için kritiktir.
- Güç Kaybı Analizi: Eğri izleyiciler, güç dönüştürücü ve sürücülerinde tasarım optimizasyonu ve verim iyileştirmeleri için kritik olan iletim, anahtarlama ve sürme kayıplarının analizinde kullanılır.
- Doğru Modellerin Çekilmesi: Eğri izleyiciler kullanılarak tasarımcılar güç cihazları için doğru modellerin geliştirilmesi için veri toplayabilir. Bu modeller devre davranışının doğru tahmini için simülasyonlarda kullanılır.
- Gelişmiş Cihaz Tipi Desteği: GaN ve SiC tabanlı modern güç cihazları optimal tasarımlar için hassas ölçümler gerektirir.
- Dijital Kontrol Desteği: Dijital kontrolün güç dönüştürücüler ve güç kaynakları arasında yaygınlaşmasıyla, eğri izleyiciler mühendislere süreksiz davranışları doğru yakalayabilmek için sıkı paketli dizilerde bulunan farklı cihazların modelleme ve değerlendirmesi aşamasında destek olur. Bu, çalışma esnasında gerilim ve akım dalgalanmalarının hafifletilmesi için kritiktir.
Bir Eğri İzleyici Nasıl Çalışır?
Bir eğri izleyici, test altındaki cihaza değişken direkt akım (DC) gerilim veya akım sağlar ve ilgili gerilim veya voltaj cevap eğrisini ekrana çizer.
Sinyal varyasyonlarının çalışması aşağıda görüldüğü gibi farklılık gösterebilir.
Sürekli Tarama Eğri İzleyicileri
Görsel 3: Sürekli Tarama Giriş Sinyali
İzleyici belirtilen bir aralıkta tüm gerilim ve akımlarda tarama yapıp sonuç gerilim veya akım cevabını sürekli kaydeder.
Bununla birlikte, bu gibi sürekli girdiler cihaz tarafında daha yüksek güç tüketimi ile sonuçlanabilir; devamında gelen termal etkiler ise cevabın doğruluğunu etkileyebilir.
Darbeli Eğri İzleyiciler
Görsel 4: Darbeli Giriş Sinyali
Sürekli girdilerin istenmeyen etkilerinden kaçınmak için giriş gerilimi ve akımı mikrosaniyeden milisaniyeye kadar uzunluklarda kısa darbeler halinde beslenebilir. Bu beslemelere darbeli veya spot ölçümler denir.
Bu eğri izleyiciler test süresi boyunca DUT’lerin termal dengede kalmasına olanak tanır. Darbeleme aynı zamanda hızlı anahtarlama ve saat sinyallerinin yoğun olduğu yarı iletken cihazların tipik çalışma ortamlarına uyumludur.
Çift Darbe Testi Eğri İzleyiciler
Görsel 5: Çift Darbe Testi Giriş Sinyali
Güç elektroniğinde, mühendisler hızlı anahtarlama sırasında cihazın açma-kapama arasında gerçekleşen enerji kayıplarını doğru karakterize etmek durumundadır. Bunu farklı akımlarda ve ayarlanabilir sürelerde iki darbenin beslendiği çift darbe testi ile yaparlar ve cevaplar Çift Darbe Testi (DPT) kapasitesi olan, Keysight PD1500A gibi eğri izleyiciler ile ölçülür.
Eğri İzleyicilerde Dikkat Edilmesi Gereken Önemli Özellikler Nelerdir?
İyi eğri izleyiciler aşağıdaki kapasitelere sahip olmalıdır:
- Geniş voltaj ve akım aralıkları: Eğri izleyiciler geniş aralıklardaki giriş değerlerini desteklemelidir. Bazı cihazlar çok yüksek kazançlı yükselteçler veya çok yüksek akımları anahtarlayıcı olarak çalıştıklarından, eğri izleyicilerin aynı zamanda geniş çıkış akım ve gerilim aralıklarını da ölçebilmesi gerekir.
- Düşük Akım Ölçümleri: Cihazlar kapalı durumdayken kaçakları analiz edebilmek için eğri izleyicilerin çok düşük akımları ölçebilmesi gerekir. Örneğin, Keysight B1500A ultra-düşük akımları femto-amper aralığında ölçebilmektedir.
- Geniş Uygulama Aralığı: Eğri izleyiciler farklı cihazların kullanıldığı çeşitli uygulamalar için dahili konfigürasyonları desteklemelidir. Bunlar transistör yükselteç uygulamaları, hafıza cihazları, güç cihazları, nano cihazlar, güvenilirlik testleri vb. kapsamaktadır.
- Kullanım Kolaylığı: Eğri izleyiciler kolay kurulum, konfigürasyon, ölçümler ve analizleri desteklemelidir. Eğri izleyiciler toplu komponent doğrulama kadar kullanım kolaylığı ve hızın kritik olduğu otomatik test ekipmanları (ATE) düzeneklerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Dokunmatik ekran ve cihaz üzerinde grafik kullanıcı arayüzleri gibi kolaylıklar doğrulama süreçlerine elverişli hale getirmektedir.
- Eşzamanlı Kapasitans Ölçümleri: C-V ölçümleri yarı iletken modelleme ve testleri için kritiktir. Eşzamanlı olarak farklı frekanslarda I-V ve C-V ölçümü yapabilen eğri izleyiciler üretimde otomatik testleri dramatik şekilde hızlandırmaktadır.
Eğri İzleyici Nasıl Kalibre Edilir?
Doğru ölçümler için, Keysight’ın ürünleri gibi modern eğri izleyiciler kendiliğinden kalibrasyon modülü ve SMU akım offset iptali becerileri gibi gelişmiş özelliklere sahiptir.
Bununla beraber, belirtmek gerekir ki, data sheet’te belirtilen tüm test spesifikasyonlarının sağlanabilmesi için Keysight servis merkezinde yıllık kalibrasyon gereklidir.
Keysight Eğri İzleyiciler Her Endüstride Kolaylık Sunar
Keysight’ın Eğri İzleyici donanımları güç elektroniği için güç cihazı analizörleri ve hassas akım-gerilim analizörleri ve yarı iletkenler için yonga problayıcılar ile entegre ana sistemleri kapsar.
Bu enstrümanlar aşağıdakiler gibi çeşitli işlevsel eğri izleyici yazılımları çalıştırır:
Projenize uygun eğri izleyici seçimi yapmak için bizimle iletişime geçebilirsiniz.
