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)和設計階段就需要對原型器件進行特性評估。雖然直流(DC)測試是常見方法，但在實際應用中，許多器件需要在脈沖或短時導通條件下工作，才能真實反映其性能表現。盡管脈沖測試的測試架構看似簡單，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體器件中的優(yōu)勢，并重點說明其在HBLED測試中的應用方法。同時，還將展示如何借助Keithley KickStart軟件實現測試自動化，并生成表格與圖形化測量結果。

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特性的影響。當測試信號持續(xù)施加到被測器件（DUT）上時，功率耗散會轉化為熱量并引起溫升，從而影響測量結果的準確性。脈沖測試通過在極短時間內施加激勵，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，脈沖測量被廣泛應用于納米技術與精細器件研究中，例如CNT FET、半導體納米線、石墨烯器件、分子電子器件以及MEMS結構。相比之下，傳統(tǒng)直流測量產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展測試儀器的能力邊界。對于工作電流高達100A甚至更高的功率器件，持續(xù)直流輸出在成本和實現上并不現實，而脈沖模式可通過能量暫存與瞬時釋放，實現高電流輸出的同時，仍保持精確的電壓和電流測量能力。

HBLED測試：正向電壓與脈寬調制

可見光LED以高效率和長壽命著稱，廣泛應用于汽車照明、顯示背光、戶外照明及通用照明等領域。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)重點介紹用于LED電學特性表征的基礎測試方法。

LED的電學特性通常通過I-V曲線進行描述。圖1展示了典型LED的直流I-V特性及常用測試點。實際測試中，可通過在有限數量的電流或電壓工作點進行測量，提取關鍵參數。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（非等比例）

正向電壓（VF）測試是LED表征中的核心內容。其典型方法為施加已知正向電流并測量對應的電壓降。常見測試電流范圍為幾十毫安至數安培，測得的正向電壓通常用于器件分檔（binning），因為VF與LED的發(fā)光顏色密切相關。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控制方面逐漸顯現局限。

為適應高功率條件，脈寬調制（PWM）成為LED驅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節(jié)亮度。該方式在保持驅動電流恒定的同時，實現亮度調節(jié)。

圖2： 在脈寬調制中，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驅動使LED在每個脈沖周期中以相同電流幅值導通，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節(jié)的方式，PWM可通過占空比直接實現光輸出的線性變化。同時，脈沖驅動降低了自發(fā)熱，使LED更接近其高效率工作點，并在系統(tǒng)層面提升整體能效。

在 KickStart中生成LED脈沖調制輸出

本應用示例演示了如何使用Keithley KickStart啟動軟件與2461高電流SourceMeterSMU儀器，在高亮度LED上生成脈沖電流序列。KickStart 使用戶無需編寫任何代碼，即可快速完成儀器配置并運行測試。通 KickStart生成的數據可以以圖形方式繪制，或以表格形式查看，同時也可保存為.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。每一次運行都會設定相同的周期，但應用不同的占空比。測試結果中，電壓隨時間變化將顯示在圖表中，所有運行實例將被同時選中，以便進行對比分析。

所需設備與軟件

一臺2461高電流圖形化觸摸屏SourceMeterSMU儀器

Keithley KickStart啟動軟件2.6.0或更高版本（可從以下網址下載：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標配1套，實驗中需額外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隨機提供），或

- 1套2460-BAN香蕉測試線/轉接線（并確保與被測器件正確連接）

一根GPIB、USB或以太網電纜，用于將2461連接至計算

一只高亮度LED

設置遠程連接

本應用配置為遠程運行模式。你可以通過儀器支持的任意通信接口（GPIB、USB或以太網）運行該應用。圖4顯示了2461后面板上的遠程通信接口位置。

圖4：2461遠程接口連接示意圖

設備連接

為了獲得最佳測量精度，并在輸出大電流時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

■連接位置應盡可能靠近DUT，以便將測試線電阻從測量結果中排除

圖6和圖7展示了前面板和后面板的實際物理連接方式。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隨機附帶），或

?2460-BAN香蕉測試線/轉接線，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設置為使用測試腳本處理器（TSP）命令集。

默認情況下，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（設置）

3. 在Command Set（命令集）選項中，選擇TSP

4. 當系統(tǒng)提示重新啟動時，選擇Yes（是）

圖8：KickStart軟件啟動頁面

創(chuàng)建測試項目的步驟：

1. 啟動KickStart軟件。

啟動后會顯示啟動界面，如圖8所示。

2. 將2461儀器添加到應用區(qū)域。

可通過雙擊或拖拽方式，將2461儀器拖入主應用暫存區(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應用

進入SMU-1設置選項卡，并進行如下源設置（如圖10所示）：

? a. 將Type（類型）設置為Pulse（脈沖）

? b. 將Function（功能）設置為Current（電流）

? c. 將Mode（模式）設置為Train（脈沖序列）

?d. 將Level（幅值）設置為1V

圖10：設置源類型和輸出參數

4. 設置儀器參數

滾動到Instrument Settings（儀器設置），將Sense（測量方式）設置為4-Wire（四線制）。

圖11：設置儀器參數

5. 公共設置（Common Settings）

進入Common Settings（公共設置）面板。在此部分中，需要設置一組脈沖寬度（Pulse Width）和關斷時間（Off Time），這些參數定義在一個2.5ms的周期內（即400Hz）。三種測試運行條件如下表所示：

表1：脈沖定義參數

對于第一個測試用例，請應用以下設置：

? 將Source/Sweep Points（源/掃描點數）設置為100（注意：該參數定義了脈沖的數量）

? 將Source to Measure Delay（源到測量延遲）設置為5e-5s

? 將Width（脈沖寬度）設置為625μs

? 將Off Time（關斷時間）設置為1.875ms

請注意，此時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：公共設置與波形查看器已更新

6. 點擊Run（運行）按鈕以執(zhí)行測試。

7. 測試完成后，在Common Settings（公共設置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測量）的參數，將Width（脈寬）和Off Time（關斷時間）均設置為1.25ms（對應50%占空比）。

圖13：公共設置與波形查看器已更新

8. 點擊Run（運行）按鈕以再次執(zhí)行測試。

9. 測試完成后，在Common Settings（公共設置）面板中修改Pulse Measurement（脈沖測量）參數，將

? Width（脈寬）設置為1.875ms，

?Off Time（關斷時間）設置為625μs，

對應75%占空比。

圖14：常用設置（Common Settings）和波形查看器已更新

10. 單擊Run（運行）按鈕以執(zhí)行測試。

11. 點擊Run History（運行歷史）按鈕，顯示你剛剛完成的三次應用運行記錄。

12. 依次選擇每一次獨立的運行，在標有“Enter a run description here（在此輸入運行說明）”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幫助記錄應用配置的變化

13. 使用鍵盤上的Shift或Ctrl鍵（配合鼠標點擊），選擇這三次運行記錄以進行對比。

14. 點擊KickStart用戶界面頂部的Graph（圖表）選項卡。

15. 將鼠標懸停在x軸標題上，調出配置選項，然后將Source（數據源）更改為Time（時間）。

16. 將鼠標懸停在圖例（Legend）上，選擇繪制Voltage（電壓），并取消選擇Current（電流）。

圖16：更新圖例設置，使y軸顯示電壓

17. 將鼠標光標懸停在圖表頂部中央區(qū)域，即可顯示標題輸入框，為你的圖表輸入一個自定義標題。

圖17： 為你的測試數據添加標題。

18. 最終繪制完成的輸出結果應與圖18所示內容類似。

圖18： 以圖形方式展示的脈寬調制（PWM）輸出數據。

總結

采用脈沖測試的核心目的，是降低器件在高負載或長時間運行時產生的自發(fā)熱。對高亮度LED而言，實際應用中通常通過"脈沖寬度調制（PWM）"控制亮度：在保持恒定正向電流的前提下，通過調整占空比改變導通時間，從而實現亮度調節(jié)、顏色一致性與效率提升。LED僅在部分時間導通，有助于降低熱應力并延長器件壽命。

針對這類測試需求，Keithley源表（SMU）結合KickStart軟件，可快速構建脈沖測試系統(tǒng)并完成數據采集與分析。KickStart示例支持2450、2461 SMU的脈沖輸出，同時也兼容2651A（高電流）和2657A（高電壓）等型號，覆蓋從常規(guī)器件到高功率應用的測試需求。