引言

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(duì)原型器件進(jìn)行特性評(píng)估。雖然直流(DC)測(cè)試是常見(jiàn)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(cè)試的測(cè)試架構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但對(duì)測(cè)試儀器的理解和使用往往具有一定門檻;而測(cè)試自動(dòng)化所需的代碼開(kāi)發(fā)，也會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)間與工程成本。因此，直觀、易用的軟件工具對(duì)于簡(jiǎn)化測(cè)試流程尤為重要。

本文將介紹脈沖測(cè)試在半導(dǎo)體器件中的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)說(shuō)明其在HBLED測(cè)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(cè)試自動(dòng)化，并生成表格與圖形化測(cè)量結(jié)果。

脈沖測(cè)試的優(yōu)勢(shì)

采用脈沖測(cè)量的核心目的，是降低焦耳熱對(duì)器件電學(xué)特性的影響。當(dāng)測(cè)試信號(hào)持續(xù)施加到被測(cè)器件（DUT）上時(shí)，功率耗散會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量并引起溫升，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。脈沖測(cè)試通過(guò)在極短時(shí)間內(nèi)施加激勵(lì)，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(cè)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(cè)量產(chǎn)生的熱量往往會(huì)改變甚至損傷這些器件。

此外，脈沖測(cè)量還可有效擴(kuò)展測(cè)試儀器的能力邊界。對(duì)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(guò)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(cè)量能力。

HBLED測(cè)試：正向電壓與脈寬調(diào)制

可見(jiàn)光LED以高效率和長(zhǎng)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(duì)其可靠性與一致性的測(cè)試要求也隨之提高。LED測(cè)試通常貫穿研發(fā)、晶圓級(jí)測(cè)試以及封裝成品測(cè)試等多個(gè)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(cè)試方法。

LED的電學(xué)特性通常通過(guò)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(cè)試點(diǎn)。實(shí)際測(cè)試中，可通過(guò)在有限數(shù)量的電流或電壓工作點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，提取關(guān)鍵參數(shù)。源測(cè)量單元（SMU）因可靈活配置為電壓源或電流源，并同步測(cè)量電壓與電流，特別適用于此類測(cè)試。

圖1：典型LED直流I-V曲線與測(cè)試點(diǎn)（非等比例）

正向電壓（VF）測(cè)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(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓降。常見(jiàn)測(cè)試電流范圍為幾十毫安至數(shù)安培，測(cè)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(cè)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(dòng)與測(cè)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(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)亮度。該方式在保持驅(qū)動(dòng)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(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(dòng)（見(jiàn)圖3），從而引起發(fā)光顏色偏移。PWM驅(qū)動(dòng)使LED在每個(gè)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(shì)。相比基于電流幅值調(diào)節(jié)的方式，PWM可通過(guò)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(dòng)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(dòng)軟件與2461高電流SourceMeterSMU儀器，在高亮度LED上生成脈沖電流序列。KickStart 使用戶無(wú)需編寫任何代碼，即可快速完成儀器配置并運(yùn)行測(cè)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(huì)設(shè)定相同的周期，但應(yīng)用不同的占空比。測(cè)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(duì)比分析。

所需設(shè)備與軟件

一臺(tái)2461高電流圖形化觸摸屏SourceMeterSMU儀器

Keithley KickStart啟動(dòng)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(cè)試線/轉(zhuǎn)接線（并確保與被測(cè)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(guò)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(cè)量精度，并在輸出大電流時(shí)消除測(cè)試線電阻帶來(lái)的影響，建議使用四線感測(cè)（4-wire sense）方法將2461連接到被測(cè)器件（DUT）。

圖5： 2461與LED的四線連接示意圖。

使用四線感測(cè)連接方法的步驟：

■將FORCE HI和SENSE HI測(cè)試線連接至LED的陽(yáng)極（anode）端

■將FORCE LO和SENSE LO測(cè)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(cè)試線電阻從測(cè)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(qǐng)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(lái)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(cè)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(cè)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(dòng)時(shí)，選擇Yes（是）

圖8：KickStart軟件啟動(dòng)頁(yè)面

創(chuàng)建測(cè)試項(xiàng)目的步驟：

1. 啟動(dòng)KickStart軟件。

啟動(dòng)后會(huì)顯示啟動(dòng)界面，如圖8所示。

2. 將2461儀器添加到應(yīng)用區(qū)域。

可通過(guò)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(jiàn)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(dòng)到Instrument Settings（儀器設(shè)置），將Sense（測(cè)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(gè)2.5ms的周期內(nèi)（即400Hz）。三種測(cè)試運(yùn)行條件如下表所示：

表1：脈沖定義參數(shù)

對(duì)于第一個(gè)測(cè)試用例，請(qǐng)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(cè)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(qǐng)注意，此時(shí)Waveform Viewer（波形查看器）窗格會(huì)自動(dòng)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(cè)試。

7. 測(cè)試完成后，在Common Settings（公共設(shè)置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測(cè)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(duì)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(cè)試。

9. 測(cè)試完成后，在Common Settings（公共設(shè)置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測(cè)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(duì)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(cè)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(shuō)明）”的區(qū)域中，填寫該次測(cè)試配置的總體描述（示例見(jiàn)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(duì)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(gè)自定義標(biāo)題。

圖17： 為你的測(cè)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(cè)試的核心目的，是降低器件在高負(fù)載或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)熱。對(duì)高亮度LED而言，實(shí)際應(yīng)用中通常通過(guò)"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(guò)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(zhǎng)器件壽命。

針對(duì)這類測(cè)試需求，Keithley源表（SMU）結(jié)合KickStart軟件，可快速構(gòu)建脈沖測(cè)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(hào)，覆蓋從常規(guī)器件到高功率應(yīng)用的測(cè)試需求。