Тестирование светодиодов высокой яркости при помощи источника-измерителя Keithley SourceMeter® 2461

Содержание

• Для чего тестировать светодиоды?
• Оборудование для тестирования светодиодов
• Импульсное тестирование ВАХ светодиода
• Импульсное тестирование прямого напряжения
• Импульсное тестирование на ток обратной утечки
• Импульсное тестирование на обратное напряжение пробоя

Для чего тестировать светодиоды?

Светодиоды высокой яркости видимого диапазона (HBLEDs) обладают высокой эффективностью и длительным сроком службы, что привело к росту сферы их применения, включая автомобильные дисплеи и наружные фонари, подсветку для телевизоров и видеомониторов, уличные фонари, наружные вывески и внутреннее освещение. Обширные исследования и разработки производителей светодиодов привели к созданию светодиодов с более высоким и мощным световым потоком, более длительным сроком службы, различными цветами свечения, большим количеством люменов на ватт, что стимулировало спрос и еще более расширило и без того немаленький спектр применения. Точное тестирование при относительно небольших затратах имеет решающее значение для обеспечения надежности и качества этих устройств.

Из-за высокой рабочей мощности этих устройств полупроводниковый переход светодиода будет иметь тенденцию к нагреву во время тестирования. По мере нагревания перехода прямое напряжение будет падать или ток утечки будет увеличиваться во время испытания постоянным напряжением. Эти эффекты могут повлиять не только на точность тестирования, но даже повредить тестируемое устройство. Поэтому важно максимально сократить время каждого испытания, не жертвуя при этом точностью измерений или стабильностью.

Встроенные возможности источника-измерителя Keithley SourceMeter® 2461 по импульсному тестированию и быстродействующий аналого-цифровой преобразователь позволяют сократить время испытаний. Прибор способен формировать импульсы на токах до 10 А при напряжении 100 В с минимальной длительностью импульса 150 мкс. Эти характеристики позволяют Keithley 2461 свести к минимуму самонагрев и повреждение HBLEDs светодиодов, а также обеспечить более надежное тестирование. Большая мощность (до 1 кВт) и возможность точного формирования импульсов позволяют Keithley 2461 безопасно тестировать устройства очень высокой мощности, не опасаясь повреждения тестируемого устройства. Импульсы могут быть сконфигурированы непосредственно на передней панели прибора или при помощи дистанционного управления.

Рис. 1. Развертки ВАХ HBLED

На рис. 1 показаны две развертки ВАХ HBLED, выполненные с помощью Keithley 2461. Кривая зеленого цвета показывает развертку, выполняемую с использованием встроенных импульсных возможностей прибора. Синяя кривая показывает ту же самую развертку, выполняемую с использованием традиционной развертки без использования импульсного тестирования.

На импульсной кривой зеленого цвета эффект самонагрева не проявляется, но на синей кривой этот эффект виден достаточно сильно. Из этих графиков становится понятным невозможность проверить тестируемое устройство без импульсного режима.

Оборудование для тестирования светодиодов

• Один прибор Keithley 2461.
• Для подключения к передней панели: четыре изолированных кабеля типа «банан», например Keithley 8608 High-Performance Clip Lead Set (один комплект поставляется с моделью 2461, второй приобретается отдельно).
• Для подключения к задней панели: 1 комплект разъемов Model 2460-KIT Screw-Terminal Connector Kit (входит в комплект поставки модели 2461) или комплект Model 2460-BAN Banana Test Leads/Adapter Cables (с соответствующими устройствами для подключения к прибору).
• Один кабель GPIB, USB или Ethernet (LAN) для подключения модели 2461 к компьютеру.

Схематически подключение светодиода к источнику-измерителю Keithley 2461 показано на рис. 2. Для устранения влияния сопротивления измерительных проводов используется четырехпроводное соединение. При соединении выводов со светодиодом силовые соединения LO и Sense LO соединяются с катодной клеммой. Соединения HI и Sense HI подключаются к аноду. Необходимо сделать соединение как можно ближе коротким, чтобы сопротивление клемм светодиода не влияло на точность измерения.

Рис. 2. Подключение светодиода к источнику-измерителю Keithley 2461

Подключение источника-измерителя Keithley 2461 к светодиоду может происходить как с передней, так и с задней панели. При соединении с передней панели можно использовать четыре изолированных кабеля с разъемом типа «банан», например, соединить при помощи двух наборов Keithley Instruments Model 8608 High-Performance Clip Lead Set (рис. 3).

Рис. 3. Подключение источника-измерителя Keithley 2461 к светодиоду с передней панели

На рис. 4 показано соединение при помощи задней панели. Соединения выполняются с помощью комплекта разъемов Model 2460-KIT Screw-Terminal Connector Kit (входит в комплект поставки модели 2461) или комплекта Model 2460-BAN Banana Test Leads / Adapter Cables (с соответствующими устройствами для подключения к прибору).

Рис. 4. Подключение источника-измерителя Keithley 2461 к светодиоду с задней панели

Keithley 2461 можно легко запрограммировать для выполнения импульсного теста ВАХ (I-V), импульсного теста прямого напряжения (Vf), импульсного теста тока утечки (IL) и импульсного теста обратного напряжения пробоя (VR). Это может быть достигнуто как с передней панели прибора, так и путем отправки на прибор команд TCP или SCPI.

Некоторые приборы при тестировании требуют установки необходимого значения тока и измерения напряжения, в то время как другие требуют задания напряжения и измерения результирующего тока. Прибор Keithley2461 идеально подходит для этих типов испытаний, поскольку он может быть сконфигурирован для формирования напряжения или тока источника, а также может измерять каждый из этих параметров.

Импульсное тестирование ВАХ светодиода

Тестирование светодиодов обычно включает в себя как электрические, так и оптические измерения. В данной задаче основное внимание уделяется электрической характеристике. На рис. 5 показана электрическая ВАХ типичного диода. Полный тест включает в себя множество значений напряжения по сравнению с текущими рабочими точками на этапе НИОКР, но ограниченная выборка точек обычно достаточна для определения показателей качества, особенно на этапе подтверждения параметров продукта и производства.

Рис. 5. Электрическая ВАХ типичного диода

Пример тестирования при развертке напряжения от 0 до 4,15 В, импульсы длиной 1 мс. При выполнении теста кривая ВАХ (рис. 6) отображается на передней панели прибора.

Рис. 6. ВАХ отображается на передней панели прибора

При включении функции эхосчитывания источника для захвата формы сигнала источника тока и формы оцифрованного сигнала напряжения прибор позволяет наложить обе формы сигналов на один график с целью обнаружения временных зависимостей между двумя сигналами. Данный способ позволяет получить подробную информацию об импульсной характеристике исследуемого устройства, что отображено на рис. 7.

Рис. 7. Импульсная характеристика исследуемого устройства

Форма оцифрованного сигнала напряжения на экране прибора показана синим цветом, а сигнала источника тока – зеленым цветом.

Импульсное тестирование прямого напряжения

Тест на прямое напряжение Vf проверяет прямое рабочее напряжение светодиода в видимом диапазоне. Когда на диод подается прямой ток, он открывается. При начальных низких значениях источника тока падение напряжения на диоде быстро увеличивается, но наклон начинает выравниваться по мере увеличения токов. Именно область относительно постоянного напряжения и является рабочей областью диода. Также будет весьма полезно проверить диод в этих рабочих условиях. Тестирование прямого напряжения (Vf) выполняется путем подачи известного значения тока на диод и измерения результирующего падения напряжения. Типичные значения испытательных токов варьируются от десятков миллиампер до ампер, в то время как результирующее измерение напряжения обычно находится в диапазоне нескольких вольт. Результаты этого теста обычно используются инженерами и дизайнерами, так как прямое напряжение напрямую связано с цветом свечения светодиода.

Смещение прямого тока также используется для оптических испытаний, поскольку электрический ток тесно связан с количеством испускаемого света. Измерение оптической мощности может быть произведено путем размещения фотодиода или интегрирующей сферы вблизи тестируемого устройства для захвата испускаемых фотонов. Затем этот световой поток преобразуется в ток, который может быть измерен амперметром или прибором Keithley SourceMeter 2461.

Во многих тестовых приложениях напряжение и светоотдача диода могут быть измерены одновременно с использованием фиксированного значения тока источника. Кроме того, такие детали, как спектральный выход, могут быть получены с помощью одного и того же значения тока устройства и спектрометра.

Типичное время поляризации для теста прямого напряжения Vf составляет от нескольких сотен микросекунд до пяти миллисекунд, а для импульсного теста тока утечки (IL) – от 5 до 20 миллисекунд. При тестировании с использованием импульсов с малой длительностью, ошибки, вызванные нагревом спая, уменьшаются. Кроме того, характеристики нагрева спая можно определить, выполнив серию испытаний с различным временем испытаний.

На рис. 8 показана таблица с результатами измерения, содержащая четыре импульсных измерения прямого напряжения с длительностью импульса 5 мс

Рис. 8. Таблица с результатами измерения

Импульсное тестирование на ток обратной утечки

Обычно для измерения тока утечки (IL) используются умеренные уровни напряжения (от вольт до десятков вольт). Тестирование на ток утечки измеряет слабые токи, которые протекают через светодиод при подаче обратного напряжения со значением меньше напряжения пробоя. Это обычная практика для измерения токов утечек и, в более общем плане, для измерения изоляции, чтобы убедиться, что определенный порог не превышен, что особенно важно в производстве.

На это есть две причины. Во-первых, слаботочные измерения требуют более длительного времени установления, поэтому они занимают больше времени для выполнения теста. Во-вторых, помехи окружающей среды и электрический шум оказывают большее влияние на сигналы с низким уровнем, поэтому требуется дополнительное экранирование. Однако именно это дополнительное экранирование может усложнить тестирование и помешать работе автоматических обработчиков. Чтобы выполнить тестирование на обратную утечку, надо установить в Keithley 2461 режим формирования импульсов отрицательного напряжения и измерить результирующий ток утечки после каждого импульса в последовательности.

Пример таблицы с результатом тестирования после подачи пяти импульсов отрицательного напряжения 20 мс и измерения тока утечки в конце каждого импульса показан на рис. 9.

Рис. 9. Пример таблицы с результатом тестирования

Импульсное тестирование на обратное напряжение пробоя

Применение отрицательного тока смещения к светодиоду позволит измерить так называемое обратное пробивное напряжение (VR). Испытательный ток должен быть установлен на уровень, при котором измеренное значение напряжения перестает значительно увеличиваться при незначительном увеличении тока. При уровнях выше этого напряжения значительное увеличение тока обратного смещения приводит к незначительным изменениям обратного напряжения. Значение этого параметра, указанное в спецификациях, обычно является минимальным значением. Тест выполняется путем подачи обратного тока с низким уровнем смещения в течение заданного времени, а затем измеряется падение напряжения на светодиоде. Результат измерения обычно находится в диапазоне десятков вольт.

Пример таблицы при выполнении сценария подачи пяти отрицательных импульсов тока длительностью 15 мс с последующим измерением пробивного напряжения в конце каждого импульса показан на рис. 10.

Рис. 10. Пример таблицы с результатом тестирования