使用Keithley KickStart軟件對高亮度LED（HBLED）進(jìn)行脈沖特性表征
高亮度發(fā)光二極管（HBLED）等器件的制造商，通常在研發(fā)和設(shè)計(jì)階段就需要對原型器件進(jìn)行特性評估。雖然直流（DC）測試是常見方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多器件需要在脈沖或短時(shí)導(dǎo)通條件下工作，才能真實(shí)反映其性能表現(xiàn)。盡管脈沖測試的測試架構(gòu)看似簡單，但對測試儀器的理解和使用往往具有一定門檻；而測試自動化所需的代碼開發(fā)，也會帶來額外的時(shí)間與工程成本。因此，直觀、易用的軟件工具對于簡化測試流程尤為重要。
本文將介紹脈沖測試在半導(dǎo)體器件中的優(yōu)勢，并重點(diǎn)說明其在HBLED測試中的應(yīng)用方法。同時(shí)，還將展示如何借助Keithley KickStart軟件實(shí)現(xiàn)測試自動化，并生成表格與圖形化測量結(jié)果。
脈沖測試的優(yōu)勢
采用脈沖測量的核心目的，是降低焦耳熱對器件電學(xué)特性的影響。當(dāng)測試信號持續(xù)施加到被測器件（DUT）上時(shí)，功率耗散會轉(zhuǎn)化為熱量并引起溫升，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。脈沖測試通過在極短時(shí)間內(nèi)施加激勵，并通常采用1%或更低的占空比，可顯著降低器件的平均功率耗散，使自發(fā)熱幾乎可以忽略。
正因如此，脈沖測量被廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)與精細(xì)器件研究中，例如CNT FET、半導(dǎo)體納米線、石墨烯器件、分子電子器件以及MEMS結(jié)構(gòu)。相比之下，傳統(tǒng)直流測量產(chǎn)生的熱量往往會改變甚至損傷這些器件。
此外，脈沖測量還可有效擴(kuò)展測試儀器的能力邊界。對于工作電流高達(dá)100A甚至更高的功率器件，持續(xù)直流輸出在成本和實(shí)現(xiàn)上并不現(xiàn)實(shí)，而脈沖模式可通過能量暫存與瞬時(shí)釋放，實(shí)現(xiàn)高電流輸出的同時(shí)，仍保持精確的電壓和電流測量能力。
HBLED測試：正向電壓與脈寬調(diào)制
可見光LED以高效率和長壽命著稱，廣泛應(yīng)用于汽車照明、顯示背光、戶外照明及通用照明等領(lǐng)域。隨著LED在發(fā)光效率、壽命及色度一致性方面持續(xù)提升，對其可靠性與一致性的測試要求也隨之提高。LED測試通常貫穿研發(fā)、晶圓級測試以及封裝成品測試等多個階段。本節(jié)重點(diǎn)介紹用于LED電學(xué)特性表征的基礎(chǔ)測試方法。
LED的電學(xué)特性通常通過I-V曲線進(jìn)行描述。圖1展示了典型LED的直流I-V特性及常用測試點(diǎn)。實(shí)際測試中，可通過在有限數(shù)量的電流或電壓工作點(diǎn)進(jìn)行測量，提取關(guān)鍵參數(shù)。源測量單元（SMU）因可靈活配置為電壓源或電流源，并同步測量電壓與電流，特別適用于此類測試。
圖1：典型LED直流I-V曲線與測試點(diǎn)（非等比例）
正向電壓（VF）測試是LED表征中的核心內(nèi)容。其典型方法為施加已知正向電流并測量對應(yīng)的電壓降。常見測試電流范圍為幾十毫安至數(shù)安培，測得的正向電壓通常用于器件分檔（binning），因?yàn)閂F與LED的發(fā)光顏色密切相關(guān)。隨著高亮度LED（HBLED）工作電流和功耗的提升，傳統(tǒng)直流測試方式在熱效應(yīng)控制方面逐漸顯現(xiàn)局限。
為適應(yīng)高功率條件，脈寬調(diào)制（PWM）成為LED驅(qū)動與測試中常用的方法。如圖2所示，在PWM模式下，脈沖幅值與頻率保持不變，通過改變占空比來調(diào)節(jié)亮度。該方式在保持驅(qū)動電流恒定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。
圖2： 在脈寬調(diào)制中，脈沖幅值和頻率保持不變，僅改變占空比。
采用PWM的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于顏色一致性。在低電流條件下，LED的正向電壓可能隨電流變化而發(fā)生明顯波動（見圖3），從而引起發(fā)光顏色偏移。PWM驅(qū)動使LED在每個脈沖周期中以相同電流幅值導(dǎo)通，從而保持正向電壓一致，有效避免顏色變化。
圖3： 在低正向電流條件下，正向電壓變化明顯；隨著正向電流增加，正向電壓趨于穩(wěn)定。
此外，PWM還具備亮度線性可控和高效率的優(yōu)勢。相比基于電流幅值調(diào)節(jié)的方式，PWM可通過占空比直接實(shí)現(xiàn)光輸出的線性變化。同時(shí)，脈沖驅(qū)動降低了自發(fā)熱，使LED更接近其高效率工作點(diǎn)，并在系統(tǒng)層面提升整體能效。
在 KickStart中生成LED脈沖調(diào)制輸出
本應(yīng)用示例演示了如何使用Keithley KickStart啟動軟件與2461高電流SourceMeter?SMU儀器，在高亮度LED上生成脈沖電流序列。KickStart 使用戶無需編寫任何代碼，即可快速完成儀器配置并運(yùn)行測試。通 KickStart生成的數(shù)據(jù)可以以圖形方式繪制，或以表格形式查看，同時(shí)也可保存為.csv或.xlsx文件格式。
在本示例中，你將使用KickStart軟件將2461配置為輸出不同的脈沖電流波形。每一次運(yùn)行都會設(shè)定相同的周期，但應(yīng)用不同的占空比。測試結(jié)果中，電壓隨時(shí)間變化將顯示在圖表中，所有運(yùn)行實(shí)例將被同時(shí)選中，以便進(jìn)行對比分析。
所需設(shè)備與軟件
一臺2461高電流圖形化觸摸屏SourceMeter? SMU儀器
Keithley KickStart啟動軟件2.6.0或更高版本（可從以下網(wǎng)址下載：
https://www.tek.com/keithley-kickstart）
用于前面板連接的4根絕緣香蕉線，例如Keithley 8608高性能夾線套裝（2461標(biāo)配1套，實(shí)驗(yàn)中需額外1套）
用于后面板連接的以下任選其一：
- 1套2460-KIT螺釘端子連接套件（2461隨機(jī)提供），或
- 1套2460-BAN香蕉測試線/轉(zhuǎn)接線（并確保與被測器件正確連接）
一根GPIB、USB或以太網(wǎng)電纜，用于將2461連接至計(jì)算
一只高亮度LED
設(shè)置遠(yuǎn)程連接
本應(yīng)用配置為遠(yuǎn)程運(yùn)行模式。你可以通過儀器支持的任意通信接口（GPIB、USB或以太網(wǎng)）運(yùn)行該應(yīng)用。圖4顯示了2461后面板上的遠(yuǎn)程通信接口位置。
圖4：2461遠(yuǎn)程接口連接示意圖
設(shè)備連接
為了獲得最佳測量精度，并在輸出大電流時(shí)消除測試線電阻帶來的影響，建議使用四線感測（4-wire sense）方法將2461連接到被測器件（DUT）。
圖5： 2461與LED的四線連接示意圖。
使用四線感測連接方法的步驟：
■ 將FORCE HI和SENSE HI測試線連接至LED的陽極（anode）端
■ 將FORCE LO和SENSE LO測試線連接至LED的陰極（cathode）端
■ 連接位置應(yīng)盡可能靠近DUT，以便將測試線電阻從測量結(jié)果中排除
圖6和圖7展示了前面板和后面板的實(shí)際物理連接方式。請注意：前面板端子和后面板端子只能二選一使用，不能混合連接。
圖6展示的是前面板連接方式。這些連接可以使用4根額定電流達(dá)到最大電流值（7A）的絕緣香蕉線來完成，例如使用兩套Keithley 8608高性能夾線套裝（High-Performance Clip Lead Set）。
圖6： 2461前面板與LED的四線連接方式。
圖7： 2461后面板與LED的四線連接方式。
圖7顯示了后面板連接方式。這些連接可以使用以下任一方式完成：
? 2460-KIT螺釘端子連接套件（2461隨機(jī)附帶），或
? 2460-BAN香蕉測試線/轉(zhuǎn)接線，并配合合適的連接線纜使用。
將2461配置為使用KickStart軟件
在使用KickStart軟件之前，必須將2461設(shè)置為使用測試腳本處理器（TSP?）命令集。
默認(rèn)情況下，2461配置為使用SCPI命令集。
在使用KickStart之前，必須切換為TSP命令集。
啟用TSP命令集的步驟：
1. 按下MENU（菜單）鍵
2. 在System（系統(tǒng)）菜單下，選擇Settings（設(shè)置）
3. 在Command Set（命令集）選項(xiàng)中，選擇TSP
4. 當(dāng)系統(tǒng)提示重新啟動時(shí)，選擇Yes（是）
圖8：KickStart軟件啟動頁面
創(chuàng)建測試項(xiàng)目的步驟：
1. 啟動KickStart軟件。
啟動后會顯示啟動界面，如圖8所示。
2. 將2461儀器添加到應(yīng)用區(qū)域。
可通過雙擊或拖拽方式，將2461儀器拖入主應(yīng)用暫存區(qū)（Main App Staging Area），然后選擇I-V Characterizer（I-V特性分析器）。（見圖 9）
圖9：選擇I-V Characterizer應(yīng)用
進(jìn)入SMU-1設(shè)置選項(xiàng)卡，并進(jìn)行如下源設(shè)置（如圖10所示）：
? a. 將Type（類型）設(shè)置為Pulse（脈沖）
? b. 將Function（功能）設(shè)置為Current（電流）
? c. 將Mode（模式）設(shè)置為Train（脈沖序列）
? d. 將Level（幅值）設(shè)置為1V
圖10：設(shè)置源類型和輸出參數(shù)
4. 設(shè)置儀器參數(shù)
滾動到Instrument Settings（儀器設(shè)置），將Sense（測量方式）設(shè)置為4-Wire（四線制）。
圖11：設(shè)置儀器參數(shù)
5. 公共設(shè)置（Common Settings）
進(jìn)入Common Settings（公共設(shè)置）面板。在此部分中，需要設(shè)置一組脈沖寬度（Pulse Width）和關(guān)斷時(shí)間（Off Time），這些參數(shù)定義在一個2.5ms的周期內(nèi)（即400Hz）。三種測試運(yùn)行條件如下表所示：
表1：脈沖定義參數(shù)
脈沖寬度（Width） | 關(guān)斷時(shí)間（Off Time） |
625μs | 1.875ms |
1.25ms | 1.25ms |
1.875ms | 625μs |
對于第一個測試用例，請應(yīng)用以下設(shè)置：
? 將Source/Sweep Points（源/掃描點(diǎn)數(shù)）設(shè)置為100（注意：該參數(shù)定義了脈沖的數(shù)量）
? 將Source to Measure Delay（源到測量延遲）設(shè)置為5e-5s
? 將Width（脈沖寬度）設(shè)置為625μs
? 將Off Time（關(guān)斷時(shí)間）設(shè)置為1.875ms
請注意，此時(shí)Waveform Viewer（波形查看器）窗格會自動更新，顯示SMU的輸出為脈沖波形，其占空比為25%。
圖12：公共設(shè)置與波形查看器已更新
6. 點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）按鈕以執(zhí)行測試。
7. 測試完成后，在Common Settings（公共設(shè)置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測量）的參數(shù)，將Width（脈寬）和Off Time（關(guān)斷時(shí)間）均設(shè)置為1.25ms（對應(yīng)50%占空比）。
圖13：公共設(shè)置與波形查看器已更新
8. 點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）按鈕以再次執(zhí)行測試。
9. 測試完成后，在Common Settings（公共設(shè)置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測量）參數(shù)，將
? Width（脈寬）設(shè)置為1.875ms，
? Off Time（關(guān)斷時(shí)間）設(shè)置為625μs，
對應(yīng)75%占空比。
圖14：常用設(shè)置（Common Settings）和波形查看器已更新
10. 單擊Run（運(yùn)行）按鈕以執(zhí)行測試。
11. 點(diǎn)擊Run History（運(yùn)行歷史）按鈕，顯示你剛剛完成的三次應(yīng)用運(yùn)行記錄。
12. 依次選擇每一次獨(dú)立的運(yùn)行，在標(biāo)有 “Enter a run description here（在此輸入運(yùn)行說明）” 的區(qū)域中，填寫該次測試配置的總體描述（示例見圖15）。
圖15：使用Run History幫助記錄應(yīng)用配置的變化
13. 使用鍵盤上的Shift或Ctrl鍵（配合鼠標(biāo)點(diǎn)擊），選擇這三次運(yùn)行記錄以進(jìn)行對比。
14. 點(diǎn)擊KickStart用戶界面頂部的Graph（圖表）選項(xiàng)卡。
15. 將鼠標(biāo)懸停在x軸標(biāo)題上，調(diào)出配置選項(xiàng)，然后將Source（數(shù)據(jù)源）更改為Time（時(shí)間）。
16. 將鼠標(biāo)懸停在圖例（Legend）上，選擇繪制Voltage（電壓），并取消選擇Current（電流）。
圖16：更新圖例設(shè)置，使y軸顯示電壓
17. 將鼠標(biāo)光標(biāo)懸停在圖表頂部中央?yún)^(qū)域，即可顯示標(biāo)題輸入框，為你的圖表輸入一個自定義標(biāo)題。
圖17： 為你的測試數(shù)據(jù)添加標(biāo)題。
18. 最終繪制完成的輸出結(jié)果應(yīng)與圖18所示內(nèi)容類似。
圖18： 以圖形方式展示的脈寬調(diào)制（PWM）輸出數(shù)據(jù)。
總結(jié)
采用脈沖測試的核心目的，是降低器件在高負(fù)載或長時(shí)間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)熱。對高亮度LED而言，實(shí)際應(yīng)用中通常通過"脈沖寬度調(diào)制（PWM）"控制亮度：在保持恒定正向電流的前提下，通過調(diào)整占空比改變導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)、顏色一致性與效率提升。LED僅在部分時(shí)間導(dǎo)通，有助于降低熱應(yīng)力并延長器件壽命。
針對這類測試需求，Keithley源表（SMU）結(jié)合KickStart軟件，可快速構(gòu)建脈沖測試系統(tǒng)并完成數(shù)據(jù)采集與分析。KickStart示例支持2450、2461 SMU的脈沖輸出，同時(shí)也兼容2651A（高電流）和2657A（高電壓）等型號，覆蓋從常規(guī)器件到高功率應(yīng)用的測試需求。
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