使用Keithley KickStart软件对高亮度LED（HBLED）进行脉冲特性表征
高亮度发光二极管（HBLED）等器件的制造商，通常在研发和设计阶段就需要对原型器件进行特性评估。虽然直流（DC）测试是常见方法，但在实际应用中，许多器件需要在脉冲或短时导通条件下工作，才能真实反映其性能表现。尽管脉冲测试的测试架构看似简单，但对测试仪器的理解和使用往往具有一定门槛；而测试自动化所需的代码开发，也会带来额外的时间与工程成本。因此，直观、易用的软件工具对于简化测试流程尤为重要。
本文将介绍脉冲测试在半导体器件中的优势，并重点说明其在HBLED测试中的应用方法。同时，还将展示如何借助Keithley KickStart软件实现测试自动化，并生成表格与图形化测量结果。
脉冲测试的优势
采用脉冲测量的核心目的，是降低焦耳热对器件电学特性的影响。当测试信号持续施加到被测器件（DUT）上时，功率耗散会转化为热量并引起温升，从而影响测量结果的准确性。脉冲测试通过在极短时间内施加激励，并通常采用1%或更低的占空比，可显著降低器件的平均功率耗散，使自发热几乎可以忽略。
正因如此，脉冲测量被广泛应用于纳米技术与精细器件研究中，例如CNT FET、半导体纳米线、石墨烯器件、分子电子器件以及MEMS结构。相比之下，传统直流测量产生的热量往往会改变甚至损伤这些器件。
此外，脉冲测量还可有效扩展测试仪器的能力边界。对于工作电流高达100A甚至更高的功率器件，持续直流输出在成本和实现上并不现实，而脉冲模式可通过能量暂存与瞬时释放，实现高电流输出的同时，仍保持精确的电压和电流测量能力。
HBLED测试：正向电压与脉宽调制
可见光LED以高效率和长寿命著称，广泛应用于汽车照明、显示背光、户外照明及通用照明等领域。随着LED在发光效率、寿命及色度一致性方面持续提升，对其可靠性与一致性的测试要求也随之提高。LED测试通常贯穿研发、晶圆级测试以及封装成品测试等多个阶段。本节重点介绍用于LED电学特性表征的基础测试方法。
LED的电学特性通常通过I-V曲线进行描述。图1展示了典型LED的直流I-V特性及常用测试点。实际测试中，可通过在有限数量的电流或电压工作点进行测量，提取关键参数。源测量单元（SMU）因可灵活配置为电压源或电流源，并同步测量电压与电流，特别适用于此类测试。
图1：典型LED直流I-V曲线与测试点（非等比例）
正向电压（VF）测试是LED表征中的核心内容。其典型方法为施加已知正向电流并测量对应的电压降。常见测试电流范围为几十毫安至数安培，测得的正向电压通常用于器件分档（binning），因为VF与LED的发光颜色密切相关。随着高亮度LED（HBLED）工作电流和功耗的提升，传统直流测试方式在热效应控制方面逐渐显现局限。
为适应高功率条件，脉宽调制（PWM）成为LED驱动与测试中常用的方法。如图2所示，在PWM模式下，脉冲幅值与频率保持不变，通过改变占空比来调节亮度。该方式在保持驱动电流恒定的同时，实现亮度调节。
图2： 在脉宽调制中，脉冲幅值和频率保持不变，仅改变占空比。
采用PWM的一个关键优势在于颜色一致性。在低电流条件下，LED的正向电压可能随电流变化而发生明显波动（见图3），从而引起发光颜色偏移。PWM驱动使LED在每个脉冲周期中以相同电流幅值导通，从而保持正向电压一致，有效避免颜色变化。
图3： 在低正向电流条件下，正向电压变化明显；随着正向电流增加，正向电压趋于稳定。
此外，PWM还具备亮度线性可控和高效率的优势。相比基于电流幅值调节的方式，PWM可通过占空比直接实现光输出的线性变化。同时，脉冲驱动降低了自发热，使LED更接近其高效率工作点，并在系统层面提升整体能效。
在 KickStart中生成LED脉冲调制输出
本应用示例演示了如何使用Keithley KickStart启动软件与2461高电流SourceMeter?SMU仪器，在高亮度LED上生成脉冲电流序列。KickStart 使用户无需编写任何代码，即可快速完成仪器配置并运行测试。通 KickStart生成的数据可以以图形方式绘制，或以表格形式查看，同时也可保存为.csv或.xlsx文件格式。
在本示例中，你将使用KickStart软件将2461配置为输出不同的脉冲电流波形。每一次运行都会设定相同的周期，但应用不同的占空比。测试结果中，电压随时间变化将显示在图表中，所有运行实例将被同时选中，以便进行对比分析。
所需设备与软件
一台2461高电流图形化触摸屏SourceMeter? SMU仪器
Keithley KickStart启动软件2.6.0或更高版本（可从以下网址下载：
https://www.tek.com/keithley-kickstart）
用于前面板连接的4根绝缘香蕉线，例如Keithley 8608高性能夹线套装（2461标配1套，实验中需额外1套）
用于后面板连接的以下任选其一：
- 1套2460-KIT螺钉端子连接套件（2461随机提供），或
- 1套2460-BAN香蕉测试线/转接线（并确保与被测器件正确连接）
一根GPIB、USB或以太网电缆，用于将2461连接至计算
一只高亮度LED
设置远程连接
本应用配置为远程运行模式。你可以通过仪器支持的任意通信接口（GPIB、USB或以太网）运行该应用。图4显示了2461后面板上的远程通信接口位置。
图4：2461远程接口连接示意图
设备连接
为了获得最佳测量精度，并在输出大电流时消除测试线电阻带来的影响，建议使用四线感测（4-wire sense）方法将2461连接到被测器件（DUT）。
图5： 2461与LED的四线连接示意图。
使用四线感测连接方法的步骤：
■ 将FORCE HI和SENSE HI测试线连接至LED的阳极（anode）端
■ 将FORCE LO和SENSE LO测试线连接至LED的阴极（cathode）端
■ 连接位置应尽可能靠近DUT，以便将测试线电阻从测量结果中排除
图6和图7展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二选一使用，不能混合连接。
图6展示的是前面板连接方式。这些连接可以使用4根额定电流达到最大电流值（7A）的绝缘香蕉线来完成，例如使用两套Keithley 8608高性能夹线套装（High-Performance Clip Lead Set）。
图6： 2461前面板与LED的四线连接方式。
图7： 2461后面板与LED的四线连接方式。
图7显示了后面板连接方式。这些连接可以使用以下任一方式完成：
? 2460-KIT螺钉端子连接套件（2461随机附带），或
? 2460-BAN香蕉测试线/转接线，并配合合适的连接线缆使用。
将2461配置为使用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，必须切换为TSP命令集。
启用TSP命令集的步骤：
1. 按下MENU（菜单）键
2. 在System（系统）菜单下，选择Settings（设置）
3. 在Command Set（命令集）选项中，选择TSP
4. 当系统提示重新启动时，选择Yes（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。
启动后会显示启动界面，如图8所示。
2. 将2461仪器添加到应用区域。
可通过双击或拖拽方式，将2461仪器拖入主应用暂存区（Main App Staging Area），然后选择I-V Characterizer（I-V特性分析器）。（见图 9）
图9：选择I-V Characterizer应用
进入SMU-1设置选项卡，并进行如下源设置（如图10所示）：
? a. 将Type（类型）设置为Pulse（脉冲）
? b. 将Function（功能）设置为Current（电流）
? c. 将Mode（模式）设置为Train（脉冲序列）
? d. 将Level（幅值）设置为1V
图10：设置源类型和输出参数
4. 设置仪器参数
滚动到Instrument Settings（仪器设置），将Sense（测量方式）设置为4-Wire（四线制）。
图11：设置仪器参数
5. 公共设置（Common Settings）
进入Common Settings（公共设置）面板。在此部分中，需要设置一组脉冲宽度（Pulse Width）和关断时间（Off Time），这些参数定义在一个2.5ms的周期内（即400Hz）。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） | 关断时间（Off Time） |
625?s | 1.875ms |
1.25ms | 1.25ms |
1.875ms | 625?s |
对于第一个测试用例，请应用以下设置：
? 将Source/Sweep Points（源/扫描点数）设置为100（注意：该参数定义了脉冲的数量）
? 将Source to Measure Delay（源到测量延迟）设置为5e-5s
? 将Width（脉冲宽度）设置为625?s
? 将Off Time（关断时间）设置为1.875ms
请注意，此时Waveform Viewer（波形查看器）窗格会自动更新，显示SMU的输出为脉冲波形，其占空比为25%。
图12：公共设置与波形查看器已更新
6. 点击Run（运行）按钮以执行测试。
7. 测试完成后，在Common Settings（公共设置）面板中修改Pulse Measurement（脉冲测量）的参数，将Width（脉宽）和Off Time（关断时间）均设置为1.25ms（对应50%占空比）。
图13：公共设置与波形查看器已更新
8. 点击Run（运行）按钮以再次执行测试。
9. 测试完成后，在Common Settings（公共设置）面板中修改Pulse Measurement（脉冲测量）参数，将
? Width（脉宽）设置为1.875ms，
? Off Time（关断时间）设置为625?s，
对应75%占空比。
图14：常用设置（Common Settings）和波形查看器已更新
10. 单击Run（运行）按钮以执行测试。
11. 点击Run History（运行历史）按钮，显示你刚刚完成的三次应用运行记录。
12. 依次选择每一次独立的运行，在标有 “Enter a run description here（在此输入运行说明）” 的区域中，填写该次测试配置的总体描述（示例见图15）。
图15：使用Run History帮助记录应用配置的变化
13. 使用键盘上的Shift或Ctrl键（配合鼠标点击），选择这三次运行记录以进行对比。
14. 点击KickStart用户界面顶部的Graph（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Source（数据源）更改为Time（时间）。
16. 将鼠标悬停在图例（Legend）上，选择绘制Voltage（电压），并取消选择Current（电流）。
图16：更新图例设置，使y轴显示电压
17. 将鼠标光标悬停在图表顶部中央区域，即可显示标题输入框，为你的图表输入一个自定义标题。
图17： 为你的测试数据添加标题。
18. 最终绘制完成的输出结果应与图18所示内容类似。
图18： 以图形方式展示的脉宽调制（PWM）输出数据。
总结
采用脉冲测试的核心目的，是降低器件在高负载或长时间运行时产生的自发热。对高亮度LED而言，实际应用中通常通过"脉冲宽度调制（PWM）"控制亮度：在保持恒定正向电流的前提下，通过调整占空比改变导通时间，从而实现亮度调节、颜色一致性与效率提升。LED仅在部分时间导通，有助于降低热应力并延长器件寿命。
针对这类测试需求，Keithley源表（SMU）结合KickStart软件，可快速构建脉冲测试系统并完成数据采集与分析。KickStart示例支持2450、2461 SMU的脉冲输出，同时也兼容2651A（高电流）和2657A（高电压）等型号，覆盖从常规器件到高功率应用的测试需求。
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