Phép đo đặc tính điốt laser khác phép đo một điốt thường ở một điểm căn bản: linh kiện có hai ngõ ra cần theo dõi cùng lúc — ngõ điện và ngõ quang. Chỉ đo dòng và áp thì không biết được laser đã phát hay chưa; chỉ đo công suất quang thì không biết vì sao hiệu suất tụt. Vì thế phép đo tiêu chuẩn của ngành là quét một biến và ghi đồng thời hai đại lượng còn lại, cho ra đường L-I-V.
Bài này đi qua bốn việc: đọc đúng đường L-I-V, rút ra các tham số có ý nghĩa sản xuất, tránh cái bẫy tự nung, và đo phía thu bằng photodiode. Phần nền tảng về đo dòng cỡ femto-ampe đã có trong bài đo dòng điện cực nhỏ: chọn pico-ampe kế hay điện kế Keysight.
Đường L-I-V là gì và đọc thế nào
Trong phép đo L-I-V, ta quét dòng thuận I qua điốt laser rồi ghi đồng thời hai đường: V(I) là đặc tuyến điện, và L(I) là công suất quang phát ra. Ba chữ cái trong tên gọi chính là ba đại lượng đó — L (light), I (current), V (voltage).
Đường V(I) có dạng quen thuộc của một chuyển tiếp p-n: điện áp tăng nhanh rồi gần như tuyến tính. Độ dốc của đoạn tuyến tính phía trên cho điện trở nối tiếp của linh kiện, gồm điện trở lớp tiếp xúc và điện trở khối. Điện trở nối tiếp tăng dần qua các lô sản xuất là dấu hiệu sớm của vấn đề tiếp xúc kim loại.
Đường L(I) mới là đường mang thông tin về hoạt động laser. Ở dòng thấp, linh kiện phát xạ tự phát, công suất quang nhỏ và tăng chậm — về bản chất nó đang chạy như một LED. Vượt qua một ngưỡng, phát xạ kích thích chiếm ưu thế, độ dốc tăng vọt và đường L(I) trở nên gần như tuyến tính.
Bốn tham số rút ra từ phép đo đặc tính điốt laser
Dòng ngưỡng. Dòng ngưỡng laser Ith là giao điểm của phần tuyến tính phía trên đường L(I) khi ngoại suy về mức công suất quang bằng không. Định nghĩa bằng ngoại suy chứ không phải bằng “điểm bắt đầu cong” là điều quan trọng: nó cho kết quả lặp lại được giữa các máy và các người đo. Dòng ngưỡng tăng theo nhiệt độ, nên mọi con số phải ghi kèm nhiệt độ vỏ.
Hiệu suất độ dốc. Bằng ΔL/ΔI trên đoạn tuyến tính, đơn vị W/A. Đây là thước đo mỗi ampe bơm thêm đổi được bao nhiêu watt ánh sáng. Ví dụ số học: nếu công suất tăng từ 5 mW lên 25 mW khi dòng đi từ 40 mA lên 90 mA thì hiệu suất độ dốc là 20 mW / 50 mA = 0,4 W/A.
Hiệu suất tổng. Bằng công suất quang chia cho công suất điện tiêu thụ, tức L/(V·I). Đây là con số mà bộ phận nhiệt và bộ phận nguồn quan tâm, vì phần còn lại thành nhiệt phải tản đi.
Kink. Chỗ gãy hoặc lõm cục bộ trên đường L(I) báo hiệu linh kiện nhảy mode hoặc mất ổn định không gian của vùng phát. Một laser có ngưỡng đẹp và độ dốc đẹp nhưng có kink giữa dải làm việc vẫn là hàng loại, vì công suất sẽ nhảy bậc khi mạch điều khiển đi qua điểm đó.
Cái bẫy tự nung và lý do phải đo xung
Nhiệt là biến ẩn phá hỏng nhiều phép đo L-I-V. Khi quét DC chậm lên dòng cao, linh kiện tự nung: nhiệt độ vùng hoạt tăng, dòng ngưỡng tăng theo, hiệu suất độ dốc giảm, và đường L(I) uốn cong xuống. Hiện tượng này gọi là thermal rollover. Nếu không biết, người đo sẽ ghi nhận một laser “kém” trong khi thực chất mình đang đo một laser nóng.
Cách xử lý là chuyển sang chế độ xung: cấp dòng trong một khoảng ngắn rồi tắt, để linh kiện nguội giữa hai xung, và lấy mẫu ở cuối xung khi điện đã ổn định nhưng nhiệt chưa kịp lan. Điều này đặt ra ba yêu cầu cho nguồn-đo: dòng đỉnh đủ lớn, độ rộng xung đủ ngắn, và khả năng số hoá đủ nhanh để bắt đúng cửa sổ lấy mẫu.
Quy trình thực hành gọn: đo DC ở dòng thấp để lấy ngưỡng, chuyển sang xung khi lên vùng công suất cao, và luôn ghi kèm nhiệt độ vỏ cùng phương pháp đo trong báo cáo. Hai phòng lab đo cùng một linh kiện bằng DC và bằng xung sẽ ra hai con số khác nhau, và cả hai đều đúng theo cách của mình.
Phía thu: đáp ứng photodiode và dòng tối
Nửa còn lại của tuyến quang là photodiode. Hai tham số quyết định:
Đáp ứng (responsivity), đơn vị A/W, là dòng quang sinh ra trên mỗi watt ánh sáng tới. Đo bằng cách chiếu công suất quang đã biết vào linh kiện, đặt thiên áp ngược, rồi đo dòng. Vì đáp ứng photodiode phụ thuộc bước sóng, phép đo chỉ có nghĩa khi ghi kèm bước sóng nguồn chuẩn.
Dòng tối là dòng chảy khi không có ánh sáng, ở đúng thiên áp ngược làm việc. Đây là nền nhiễu của cả tuyến thu và thường nằm ở mức pico-ampe hoặc thấp hơn, nên đòi hỏi thiết bị có phân giải dòng rất cao cùng dây đo có màn chắn và guard đúng cách. Ở mức này, một sợi cáp bẩn hoặc một điểm rò bề mặt đủ sức làm hỏng phép đo.
Bộ tiêu chuẩn IEC 60747-5 dành cho linh kiện quang điện bán dẫn là tài liệu tham chiếu khi cần thống nhất định nghĩa tham số và điều kiện đo giữa nhà cung cấp và khách hàng.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo L-I-V
Một trạm đo L-I-V tối thiểu gồm ba khối: nguồn-đo cấp dòng và đo áp, đầu đo công suất quang, và phần điều nhiệt cho đế linh kiện.
- Nguồn-đo SMU Keysight B2912B — hai kênh, ±210 V, ±3 A DC và 10,5 A ở chế độ xung, phân giải nguồn và phân giải đo cùng đạt 10 fA / 100 nV, có phát dạng sóng tuỳ ý và số hoá với khoảng thời gian từ 10 µs. Hai kênh cho phép một kênh lái laser và một kênh đọc photodiode giám sát trong cùng một phép đo đồng bộ; dòng xung 10,5 A và khoảng 10 µs là đúng thứ cần để né tự nung.
- Keysight B1500A — máy phân tích linh kiện bán dẫn — kiến trúc 10 khe cắm mô-đun, các loại SMU HRSMU/MPSMU/HPSMU, phân giải dòng tới 0,1 fA, có sẵn MFCMU cho phép đo C-V. Chọn B1500A khi phép đo L-I-V chỉ là một phần của gói đặc tính hoá đầy đủ gồm cả C-V và đo xung, hoặc khi cần nhiều SMU trên cùng một khung.
- Keysight 81634B — mô-đun cảm biến công suất quang — độ nhạy tới −110 dBm, độ bất định công suất ±2,5%, phụ thuộc phân cực dưới ±0,005 dB, ghi tới 20.000 mẫu với thời gian lấy trung bình xuống tới 100 µs, dùng với các khung Lightwave 816x. Phụ thuộc phân cực rất thấp là điểm đáng giá khi đo laser có trạng thái phân cực thay đổi theo dòng bơm.
Cây quyết định gọn: cần hai kênh độc lập và xung dòng lớn cho một loại linh kiện thì chọn SMU hai kênh; cần đặc tính hoá đa phép đo trên nhiều loại linh kiện thì chọn khung mô-đun; còn phía quang thì chọn cảm biến theo dải công suất và mức phụ thuộc phân cực, không chọn theo độ nhạy đơn thuần.
Kết luận
Đường L-I-V chỉ có giá trị khi kèm ba thông tin: nhiệt độ vỏ, phương pháp đo là DC hay xung, và cách định nghĩa dòng ngưỡng. Thiếu một trong ba, số liệu không so sánh được giữa các lô hay giữa các phòng lab. Về thiết bị, hãy chọn theo dòng đỉnh và độ rộng xung cần thiết trước, rồi mới đến phân giải — vì sai số do tự nung thường lớn hơn nhiều so với sai số phân giải của máy.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, đồng thời vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo điện – điện tử. Để được tư vấn cấu hình trạm đo L-I-V hoặc đặt lịch hiệu chuẩn nguồn-đo và thiết bị quang, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
