SMU står för Source Measuring Unit. Den typen av kombinerad källa/mätenhet är utmärkt för att karakterisera ljusstarka lysdioders egenskaper, skriver Jun Kurita, HSTD R&D Project manager, och Stewart Wilson, European Business Manager for Semiconductor Parametric Test Systems, båda inom Agilent Technologies.

Miljökrav pressar på för en snabbt ökad användning av ljusstyrka lysdioder (HBLEDs) tack vare deras energieffektivitet och långa livslängd. Vita HBLEDs används i stor utsträckning inom- och utomhusbelysning, bakgrundsbelysning i displayer och i strålkastare för fordonsindustrin och har drivit den optiska verkningsgrad till mer än 100 lm/W. HBLED finns för strömmar från runt 20 mA, till 1 A och upp till så mycket som 10 A samtidigt som framspänningsfallet håller sig inom 3 till 4 V.
Artikeln presenterar en metod för snabb och noggrann elektrisk karakterisering av vita HBLED med hjälp av en Source Measuring Unit, SMU.

Vad är en SMU?
Blockschemat, fig 1, visar en spänningskälla, en strömkälla, en switch, en ström- och en voltmeter. Allt är integrerat i ett kompakt paket. Beroende på önskad typ av mätningar kan vi välja att låta SMU fungera som en spänningskälla med strömmeter, en strömkälla med voltmeter, en strömmeter med noll Volt spänningsfall eller voltmeter med hög inimpedans.

Fig 1. Förenklat schema för anslutningar mellan SMU och LED.

Det är lätt att utvärdera ström/spänningskarakteristiken (I-V) genom att ansluta en SMU som visas i fig 1. Spänningsmatning/mätning av ström, eller strömmatning/mätning av spänning kan snabbt utföras utan att anslutningarna ändras.
Agilents precisions-SMU i serie B2900A har en bred effektkapacitet, hög upplösning och hög noggrannhet. B2900A-familjen kan utvärdera och testa olika slags elektriska apparater. För LED I-V-mätningar kan B2900A-serien mata 3 A i DC-läge och 10,5 A i pulsläge, med upp till 6 ½ siffrors upplösning och mätning i både ström- och spänningsläge.
B2900A-serien stöder både 2-trådsanslutning, för enkel mätning, och 4-tråds Kelvin-anslutning för precisionsmätning. 4-tråds Kelvin-anslutning rekommenderas för lysdiodkarakterisering så att spänningsfallet i enhetens ledningsförbindningar elimineras.
SMU kan generellt kategoriseras som ett likströmsinstrument. Förutom att kunna leverera och mäta likspänningar och -strömmar kan B2900A-familjen också generera vågformer med upp till 100 kSa/s och digitalisera vågformer med upp till 100 kSa/s. Denna funktion möjliggör vågformen mätning av antingen spänning och ström när en puls eller pulståg av spänning eller ström appliceras på enheten. Detta möjliggör enkel inspelning av en komponents transientsvar utan användning av ett oscilloskop, samtidigt som det tillåter exakta DC-mätningar.
B2900A-serien har ett lättanvänt grafiskt användargränssnitt (GUI) med en stor QVGA LCD-färgskärm. Detta möjliggör ett intuitivt handhavande av en mängd olika inställningar, mätningar och visningar med hjälp av ratten och med frontpanelens ”soft keys”. Mätresultatet presenteras både traditionellt numeriskt och grafiskt. I-V-kurvan kan också nås med hjälp av en ”soft key”, liksom vågformen i tidsplanet. Den intuitiva frontpanelen ger kraftfulla debug-möjligheter för att kontrollera och hjälpa till vid felsökning under fjärrprogrammering.

Fig 2. B2900A-seriens utmatningskapacitet.

Förutom frontpanelens grafiska gränssnitt finns för PC-baserade I-V-mätningar en gratis mätprogramvara som kallas: ”Quick I/V”. Med den kan man styra instrumentet via LAN, USB eller GPIB. Interaktivt kan man utvärdera komponenter och programvaran innehåller kraftfulla funktioner för svepmätningar, puls, samplade mätvärden, grafisk display, tabelluppställning och stöd för instrumentstyrning av flera SMUers med upp till 4 kanaler. Dessutom finns drivrutiner för SCPI, IVI-COM och LabView för att passa de flesta användares programmeringsmiljöer.
Mätningar av vita HBLED har med hjälp av Quick IV visas i fig 3. Mätfunktionerna görs alla i B2900A medan Quick IV  används enbart för att anropa inbäddade mätfunktioner och visa resultaten.

Fig 3. Testuppställning: B2900A-serien med komponent/provningsfixtur och PC.

Läs mer om test vid LED-tillverkning i applikationsnoten " LED Production Test Using the Agilent B2900A Series" 5990-7140EN på www.agilent.com

Mätning av små strömmar
Alla lysdioder är temperaturkänsliga och påverkas av upphettning på grund av ström i framriktningen. Men om denna ström är relativt liten (20 mA – 30 mA) kan mätningarna genomföras utan alltför stor hänsyn till värmeavledning och kylning. Den ytmonterade typen av HBLED kräver i allmänhet värmeavledning och därför är det rekommendabelt att använda pulssvepta mätningar. Dessa mätningar beskrivs i detalj i ett senare avsnitt. Där demonstreras karakterisering av HBLED såväl med ström i fram- som i backriktningen.
Testobjektet är en vit HBLED med en maximal ström i framriktningen på 20 mA och en högsta spänning på 5 V i backriktningen.

Fig 4. a) Inställning av svepta DC-parametrar b) grafisk bild av mätningar med programvaran Quick IV.

Fig 4a visar inställningen och en fönster för förhandsgranskning som visar svept vågform och mätning i tidsdomänen. Efter inmatningen av svepparametrarna: startspänning, stoppspänning, antal steg och strömöverensstämmelse klickar sedan användaren på knappen märkt "Measure". Mätrutinen utförs sedan snabbt och automatiskt. Genom att trycka på "Graph" visas sedan den I-V kurva som ses i fig 4b. Markörfunktionen visar framspänningsfallet 3,25 V vid den nominella strömmen i framriktningen (10 mA) medan backströmmen (1 nA) erhålls vid -5V. Dessa mätningar kan skickas till en dator i standard .CSV-format  eller som skärmdump för ytterligare hantering och bearbetning.

I-V-mätning vid hög effekt
Vid höga strömmar i framriktningen, >100 mA, kräver HBLED korrekt värmeavledning och kylning för att inte värmen skall påverka I-V-egenskaperna. I det här fallet är en pulsad svepmätning en förutsättning för att kunna karakterisera I-V-egenskaper. I detta exempel anser vi en vit HBLED med en transgent strömpuls på 1 A i framriktningen samt en kontinuerligt uppmätt ström i framriktningen på 350 mA. Denna komponent är inte konstruerad för spänning i backriktningen.
Fig 5a. visar hur inställningarna ser ut medan fig 5b visar förhandsgranskningsfönstret med pulsad vågform.

Fig  5. a) Inställning för samplade mätningar. b) Kurvan visar samplade mätningar.

Men ibland överensstämmer inte mätresultaten med förväntningarna. Det beror vanligtvis på det faktum att utströmmens vågform kan skilja sig från det programmerade värdet. Orsakerna till det är i allmänhet komplexa och beror oftast på  en kombination av kablar och anslutning till enheten, ändliga eller begränsade svar hos instrumentet, kapacitiva lastning och så vidare. Hittills har ett oscilloskop har använts för att observera och felsöka under mätningen. Detta är dock inte nödvändigt tack vare B2900A seriens samplingsfunktion som kan spela in den verkliga vågformen med hög hastighet och sampling med hög upplösning. Till exempel kan en spänningspuls med 10 ms varaktighet tillförs komponenten och vi observerar så den resulterande vågformen.

Fig 6. a) Inställning av pulsparametrar. b) Grafiken visar ström-spänningskurva (I-V).

I fig 5a har man infört en fördröjning av matningskällan på 1 ms för att kunna se prestanda i framkanten av strömmen. I exemplet samplar vi med 100 µs intervall, med sammanlagt 200 samplingsvärden. Resultatet ser vi i fig 5b. Den övre linjen är den pålagda spänningens vågform och den undre linjen är strömmens vågform i framriktningen. Från denna bild kan vi se några långsamma transientsvar under första hälften av den uppmätta strömpulsens vågform. Av detta kan vi med fog dra slutsatsen att det vore rimligt att mäta strömmen i andra hälften av mätningen med pulssvep.
Därför vore det lämpligt att tillämpa en fördröjning på 5 ms under mätningen. Mätparametrarna bör justeras beträffande inställningen av pulssvep enligt fig 6a. Efter mätning av I-V- kurvan i fig 6b visar markörfunktionen framspänningen 3,185 V vid en nominell ström i framriktningen på 350 mA.
Att mäta framspänning vid nominell framström är ett vanligt testkrav vid tillverkning. B2900A-seriens samplande mätfunktioner bidrar till att optimera den minsta pulsbredd och fördröjningstiden vid mätning för att öka produktionskapaciteten.

Fig 7. a) Vågformen hos en 10 ms puls. b) Vågformen hos en 1 ms puls.

Fig 7a visar transientens vågform när en 350 mA puls med 10 ms varaktighet påförs en HBLED medan fig 7b visar transientens vågform  när en 350 mA puls med 1 ms varaktighet påförs samma HBLED.
Den övre linjen den uppmätta spänningens vågform medan den nedre raden är den påförda strömmens vågform. Även med 1 ms puls är det möjligt att noggrant mäta komponenten  om fördröjningstiden är korrekt optimerad.

Pulsbredden styr ljusstyrkan
Att driva med en konstant ström är det vanligaste sättet att kontrollera ljusstyrkan i HBLEDs. Ljusstyrkan hos en vit HBLEDs är nästan proportionell mot strömmen. Men det optiska spektrumet förändras av likströmförändringar. För att eliminera färgförändring tillämpas pulsbreddsmodulation för att styra ljusstyrkan utan färgförändringar.

Fig  8. 20 % dutycycle b) 50 % dutycycle c) 80 % dutycyle. Strömmen i framriktningen: 20 mA.

B2900A-seriens triggerfunktion kan användas vid optiska mätningar av HBLEDs. Triggerfunktionen kan generera ett programmerat antal pulser eller ett oändligt pulståg med både programmerad pulsbredd och period.
Med en lämplig optisk detektor kan ljusstyrkan mätas genom att ändra pulsbredd. Detta kan uppnås genom att använda antingen den främre panelen eller stödfunktionen för fjärrprogrammering. B2900A-seriens ”List sweep function” kan åskådliggöra och programmera godtyckliga vågformer med upp till 2500 datapunkter.
Mätprogramvaran Quick IV erbjuder grafiska datainmatning och gör det möjligt att skapa matematiska data samt importera data från kalkylprogram som Microsoft Excel.
Som ett exempel påförs flera signaler med fast pulsbredds/pulstidsförhållande på 500 Hz på HBLED-komponenter. Här har vi möjlighet att övervaka vågformer hos både ström och spänning. Mätningarna ställs in för 10 µs mellanrum mellan samplingarna, under 5 cykler med 1000 samplingar vilket resulterar i  200 punkters pulsade utdata. Fig 8 visar strömmens vågformen (nedre linjen) och spänningens vågform (övre raden) hos en lågströms HBLD under olika körcykler. Fig 9 visar samma mätningar för en HBLED hög effekt.

Snabb och exakt
B2900A-seriens SMU kan generera I-V inom ett brett område i kombination med hög hastighet och precision. Dessa möjligheter gör den till ett naturligt val för utvärdering och test av ett brett utbud av LED- och HBLED-komponenter.

Fig 9. a) 20 % dutycycle b) 50 % dutycycle c) 80 % dutycycle. Ström i framriktningen: 1 A.

B2900A-seriens inbyggda mätfunktioner möjliggör en snabb och korrekt utvärdering av den uppmäta ljusstrålen från en HBLED med hjälp av mätningar med likströmssvep och pulssvep. Dessutom är den samplande mätningen användbar för att optimera tidpunkten mätnings parametrar med avseende på fördröjning.
Tekniken för pulsbreddsmodulering, för att styra ljusstyrkan i HBLED möjliggör en enkel optisk utvärdering
Jun Kurita, projektledare för HSTD-forskning och utveckling, och Stewart Wilson, europeisk affärsansvarig för parametriska testsystem för halvledare, Agilent Technologies

Referens:
LED IV Measurement Using the Agilent B2900A Series: 5990-6653EN
LED Production Test Using the Agilent B2900A Series: 5990-7140EN

 

Filed under: Opto