使用Keithley KickStart软件对高亮度LED进行脉冲特性表征

简介

高亮度发光二极管（HBLED）等器件的制造商通常需要在研发和设计阶段评估原型器件的特性。虽然直流（DC）测试是常用的方法，但在实际应用中，许多设备需要在脉冲或短时导通条件下工作才能真实反映其性能。脉冲测试的测试架构虽然看似简单，但了解和使用测试仪器往往有一定的门槛；而且测试自动化所需的代码开发也会带来额外的时间和工程成本。因此，直观易用的软件工具对于简化测试过程显得尤为重要。

本文将介绍脉冲测试在半导体器件中的优势，并重点介绍其在HBLED测试中的应用方法。同时，还将演示如何使用Keithley KickStart软件进行自动化测试并生成表格和图形测量结果。

脉冲测试的优点

使用脉冲测量的核心目的是减少焦耳热对器件电气特性的影响。当测试信号持续施加到被测器件（DUT）时，功耗会转化为热量并导致温度升高，从而影响测量结果的准确性。通过在很短的时间内施加激励（通常占空比为1% 或更小），脉冲测试可以显着降低设备的平均功耗，使自热几乎可以忽略不计。

因此，脉冲测量广泛应用于纳米技术和精细器件研究，例如CNT FET、半导体纳米线、石墨烯器件、分子电子器件和MEMS结构。相比之下，传统直流测量产生的热量常常会改变甚至损坏这些设备。

此外，脉冲测量可以有效扩展测试仪器的能力。对于工作电流高达100A或更高的功率器件来说，连续的直流输出从成本和实现上来说都是不现实的。然而，脉冲模式可以通过暂时储能和瞬时释放来实现高电流输出，同时仍然保持精确的电压和电流测量能力。

HBLED 测试：正向电压和脉宽调制

可见光LED以其高效率和长寿命而闻名，广泛应用于汽车照明、显示器背光、户外照明和普通照明。随着LED在发光效率、寿命和色度一致性方面不断提高，对其可靠性和一致性的测试要求也越来越高。 LED测试通常要经过研发、晶圆级测试、封装成品测试等多个阶段。本节重点介绍LED 电气特性表征的基本测试方法。

LED的电气特性通常用I-V曲线来描述。图1 显示了典型LED 的DC I-V 特性和常见测试点。在实际测试中，可以通过在有限数量的电流或电压工作点进行测量来提取关键参数。源测量单元(SMU) 特别适合此类测试，因为它们可以灵活配置为电压源或电流源，并同时测量电压和电流。

图1：典型LED DC I-V 曲线和测试点（未按比例）

正向电压(VF) 测试是LED 表征的核心组成部分。典型的方法是施加已知的正向电流并测量相应的电压降。常见的测试电流范围为几十毫安到几安培，测量的正向电压通常用于器件分档，因为VF与LED的发光颜色密切相关。随着高亮度LED（HBLED）工作电流和功耗的增加，传统的直流测试方法在控制热效应方面逐渐表现出局限性。

为了适应高功率条件，脉宽调制（PWM）已成为LED驱动和测试中常用的方法。如图2所示，在PWM模式下，脉冲幅度和频率保持不变，通过改变占空比来调节亮度。该方法在保持驱动电流恒定的情况下实现了亮度调节。

图2：在脉宽调制中，脉冲幅度和频率保持恒定，仅占空比发生变化。

使用PWM 的一个主要优点是颜色一致性。在低电流条件下，LED 的正向电压可能会随着电流变化而大幅波动（见图3），从而导致发出的光发生色移。 PWM驱动使LED在每个脉冲周期以相同的电流幅值开启，从而保持正向电压一致，有效避免颜色变化。

图3：低正向电流条件下，正向电压变化明显；随着正向电流的增加，正向电压趋于稳定。

此外，PWM还具有亮度线性可控、效率高的优点。与基于电流幅度调整的方法相比，PWM可以直接通过占空比实现光输出的线性变化。同时，脉冲驱动减少了自发热，使LED更接近其高效工作点，并提高了系统级的整体能效。

在KickStart 中生成LED 脉冲调制输出

此应用示例演示如何将Keithley KickStart 启动软件与2461 高电流SourceMeterSMU 仪器结合使用，在高亮度LED 上生成脉冲电流序列。 KickStart 允许用户快速配置仪器并运行测试，而无需编写任何代码。 KickStart 生成的数据可以以图形方式绘制、以表格形式查看，也可以以.csv 或.xlsx 文件格式保存。

在此示例中，您将使用KickStart 软件配置2461 以输出不同的脉冲电流波形。每次运行都会设置相同的周期，但应用不同的占空比。测试结果中，电压随时间的变化会以图表形式显示，同时选择所有运行实例进行对比分析。

所需设备和软件

2461大电流图形触摸屏SourceMeterSMU仪器

Keithley KickStart 入门软件2.6.0 或更高版本（可从以下网址下载：https://www.tek.com/keithley-kickstart）

4根绝缘香蕉线，用于前面板连接，如Keithley 8608高性能线夹套件（2461标配1套，实验需另配一套）

对于后面板连接，请选择以下选项之一：

- 1 套2460-KIT 螺丝端子连接套件（2461 附带），或

- 1 套2460-BAN 香蕉测试引线/适配器电缆（并确保它们正确连接到被测设备）

用于将2461 连接到计算机的GPIB、USB 或以太网电缆

高亮度LED

设置远程连接

该应用程序配置为远程操作模式。您可以通过仪器支持的任何通信接口（GPIB、USB 或以太网）运行应用程序。图4 显示了2461 后面板上远程通信接口的位置。

图4：2461远程接口连接图

设备连接

为了获得最佳的测量精度并消除输出大电流时测试引线电阻的影响，建议使用4 线检测方法将2461 连接到被测设备(DUT)。

图5：2461与LED的四线连接示意图。

使用四线检测连接方法：

将FORCE HI和SENSE HI测试线连接到LED的阳极端

将FORCE LO和SENSE LO测试线连接至LED的负极端子

连接位置应尽可能靠近DUT，以将测试引线电阻排除在测量结果之外

图6 和图7 显示了前面板和后面板的实际物理连接方式。请注意：前面板端子和后面板端子只能选择性使用，不能混合连接。

图6 显示了前面板连接。这些连接可以使用四根额定电流高达最大电流值(7A) 的绝缘香蕉线进行，例如两组Keithley 8608 高性能夹式引线组。

图6：2461 前面板和LED 之间的四线连接。

图7：2461 后面板和LED 之间的四线连接。

图7 显示了后面板连接。可以使用以下任一方法进行这些连接：

• 2460-KIT 螺丝端子连接套件（2461 附带），或

•2460-BAN香蕉测试电缆/适配器电缆，并与适当的连接电缆一起使用。

配置2461 以使用KickStart 软件

在使用KickStart 软件之前，必须将2461 设置为使用测试脚本处理器(TSP) 命令集。

默认情况下，2461 配置为使用SCPI 命令集。

在使用KickStart 之前，您必须切换到TSP 命令集。

启用TSP 命令集的步骤：

1. 按菜单键

2. 在“系统”菜单下，选择“设置”

3. 在命令集选项中，选择TSP

4. 当提示重新启动时，选择是

图8：KickStart软件启动页面

创建测试项目的步骤：

1. 启动KickStart 软件。

启动后，显示启动界面，如图8所示。

2. 将2461 仪器添加到应用程序区域。

您可以通过双击或拖动2461 仪器将其拖至主应用程序暂存区域，然后选择I-V 表征器。 （见图9）

图9：选择I-V 表征器应用

进入SMU-1设置选项卡并进行以下源设置（如图10所示）：

• a.将类型设置为脉冲

• b将功能设置为当前

• c将模式设置为训练

•d将电平（幅度）设置为1V

图10：设置源类型和输出参数

4. 设置仪器参数

滚动至“仪器设置”并将“检测”设置为“4 线”。

图11：设置仪器参数

5. 常用设置

进入通用设置面板。在这部分，需要设置一组脉冲宽度（Pulse Width）和关闭时间（Off Time）。这些参数在2.5ms 周期（即400Hz）内定义。三种测试运行条件如下表所示：

表1：脉冲定义参数

脉冲宽度(Width) 关闭时间(Off Time) 625s 1.875ms 1.25ms 1.25ms 1.875ms 625s 对于第一个测试用例，请应用以下设置：

• 将源/扫描点设置为100（注意：该参数定义脉冲数）

• 将源测量延迟设置为5e-5s

• 将宽度（脉冲宽度）设置为625s

• 将关闭时间设置为1.875ms

请注意，波形查看器窗格会自动更新，以显示SMU 的输出是占空比为25% 的脉冲波形。

图12：更新的公共设置和波形查看器

6. 单击运行按钮执行测试。

7. 测试完成后，修改公共设置面板中的脉冲测量参数，将宽度和关闭时间设置为1.25ms（对应50%占空比）。

图13：更新的公共设置和波形查看器

8. 单击运行按钮再次执行测试。

9. 测试完成后，修改Common Settings面板中的PulseMeasurement参数，将

• 宽度（脉冲宽度）设置为1.875ms，

•关闭时间设置为625s，

相当于75% 的占空比。

图14：更新的通用设置和波形查看器

10. 单击“运行”按钮执行测试。

11. 单击“运行历史记录”按钮，显示您刚刚完成的三个应用程序运行记录。

12. 依次选择每个单独的运行，并在标有“在此处输入运行描述”的区域中填写测试配置的总体描述（示例参见图15）。

图15：使用运行历史记录帮助记录应用程序配置更改

13. 使用键盘上的Shift 或Ctrl 键（同时单击鼠标）选择这三个运行记录进行比较。

14. 单击KickStart 用户界面顶部的图表选项卡。

15. 将鼠标悬停在x 轴标题上，调出配置选项，然后将“源”更改为“时间”。

16. 将鼠标悬停在图例上，选择“绘制电压”，然后取消选择“电流”。

图16：更新图例设置，以便y 轴显示电压

17. 将鼠标光标悬停在图表的顶部中心区域上以显示标题输入框，然后为图表输入自定义标题。

图17：向测试数据添加标题。

18. 最终输出结果应类似于图18 所示。

图18：脉宽调制(PWM) 输出数据的图形表示。

总结

使用脉冲测试的核心目的是减少设备在高负载或长期运行时产生的自热。对于高亮度LED，在实际应用中通常通过“脉宽调制（PWM）”来控制亮度：在保持正向电流恒定的同时，通过调整占空比来改变导通时间，从而实现亮度调节、色彩一致性和效率提升。 LED 仅在部分时间亮起，有助于减少热应力并延长设备寿命。

针对这种测试需求，吉时利源表（SMU）结合KickStart软件可以快速搭建脉冲测试系统并完成数据采集和分析。 KickStart示例支持2450和2461 SMU的脉冲输出，同时还兼容2651A（高电流）和2657A（高电压）型号，涵盖从传统设备到高功率应用的测试需求。