为什么光电行业越来越需要高速脉冲SMU？——从Pulse测试到Source Adapt控制原理

前言传统的 Source Measure UnitsSMU一直以高精度直流源和高精度测量仪器著称其核心优势体现在高分辨率、低噪声以及高精度的电压、电流测量。然而近几年随着光电器件、第三代半导体GaN、SiC、Micro LED、VCSEL、激光器等器件的发展越来越多的测试已经从传统的 DC 测试逐渐转向 Pulse脉冲测试。一般能做Pluse的厂家都能适配1A3A国外和国产头部厂家能把Pluse做到10A。如今评价一台高性能 SMU不再只是看静态精度Accuracy而是越来越关注它的动态性能例如 Rise Timeus级、Settling Time、Overshoot、Recovery Time 以及 Trigger Synchronization 等指标。本文结合自己在 PXIe SMU 上的一些学习和测试经验介绍 Pulse SMU 在光电行业中的应用以及几个容易混淆的重要概念例如 Source Adapt、NPLC、Remote Sense 等。一、为什么光电行业越来越需要 Pulse SMU很多光电器件都有一个共同特点工作电流越来越大而芯片尺寸却越来越小。这意味着功率密度越来越高自热效应Self-heating越来越明显长时间 DC 加电会改变器件真实参数例如VCSELDFB LaserEML 激光器APDSPADMicro LEDOLED这些器件很多 Datasheet 上都会注明Pulse Test Condition而不是 Continuous DC Test。原因就在于Pulse 可以在热量还未来得及积累之前完成测量。器件的电学响应通常发生在 ns~μs而热响应一般发生在 ms 量级。因此只要脉冲足够短测到的就是器件的本征电学特性而不是已经受到温升影响后的结果。二、Pulse SMU 能带来哪些优势1. 降低自热效应例如100 V × 10 A 1000 W如果持续输出器件很快升温。但如果Pulse Width 100 μsDuty Cycle 1%平均功率仅为10 W器件几乎不会发生明显温升。2. 提高测试重复性对于 LED、Laser Diode 等器件来说温度每升高一点光功率下降波长漂移阈值电流变化采用短脉冲测试每次测量几乎都在相同结温下进行因此重复性明显提高。3. 避免损坏器件很多光电器件允许较大的峰值电流但连续工作能力有限。例如VCSELGaN HEMTSiC MOSFETPulse 可以提供较高峰值功率而不会造成器件长期热损伤。4. 更接近真实工作状态很多器件本身就是脉冲工作例如激光雷达LiDARToF 模组光通信发射器功率 MOSFET 开关因此 Pulse 测试比 DC 测试更具有工程意义。三、为什么高速 Pulse 对 SMU 提出了更高要求如果只是输出一个方波其实并不困难。真正困难的是在几十微秒甚至几微秒内让输出既快又稳。因此高性能 Pulse SMU 关注的不只是 Pulse Width而是整个动态响应。例如Rise TimeSettling TimeOvershootRingingTrigger Delay这些指标共同决定了一台 SMU 的动态性能。四、Source Adapt 是什么很多现代 SMU 都提供 Source Adapt源输出自适应功能。它的作用可以理解为调整输出闭环控制参数使 SMU 适应不同类型的负载。例如电阻负载电容负载激光器LEDMOSFET Gate长线缆由于这些负载具有完全不同的动态特性因此需要不同的控制参数。通常提供SlowNormalFast三个 Preset。每个 Preset 对应不同的Gain BandwidthCompensation FrequencyPole-Zero Ratio本质上就是调整控制环路的带宽和补偿参数。在实际测试中我使用示波器观察不同 Preset 下的 Pulse 输出以及手动调整以上三个参数得到的结果可以明显看到GBW 影响Rise Time 不同补偿频率影响On Time / Off Time 附近振荡程度不同说明 Preset 改变的是整个控制环路而不仅仅是简单提高输出速度。五、为什么 Fast 不一定会 Overshoot很多人认为速度越快过冲一定越大。实际上并非如此。现代高端 SMU 会同时优化Gain BandwidthCompensation FrequencyPole-Zero Ratio使系统在提高速度的同时保持足够的 Phase Margin相位裕度。因此 Fast Preset 并不一定意味着明显的 Overshoot而是在稳定性和速度之间取得最佳平衡。六、NPLC 为什么在 Pulse 测试中很重要NPLCNumber of Power Line Cycles表示积分时间。例如50 Hz 工频对应中国和欧洲的交流电频率60Hz对应美国日本等国家和地区NPLC 1积分时间约20 ms而 Pulse可能只有100 μs因此如果 Pulse Width 远小于 NPLC对 Pulse 信号进行积分会导致测量结果失真。因此 Pulse 测试通常采用较小 NPLC或高速 ADC Sampling以保证能够真实反映瞬态变化。七、Remote Sense 在 Pulse 测试中的意义大电流 Pulse 下测试线缆也会产生压降。如果采用 Local Sense二线法SMU 控制的是自身输出端电压。而采用 Remote Sense四线法SMU 实际控制的是 DUT 两端电压。对于大电流 Pulse长线缆光模块测试Remote Sense 可以显著提高输出精度。八、总结随着光电器件和第三代半导体的发展SMU 已经不仅仅是一台高精度直流源而逐渐演变为一台具备高速输出、高速采样、精密闭环控制以及硬件同步能力的综合测试平台。未来评价一台高性能 SMU不应只关注 Accuracy而应该综合考虑Pulse PerformanceSource AdaptTrigger SynchronizationSettling TimeOvershootRecovery Time这些动态指标才是真正体现现代 SMU 技术水平的重要标准。