如圖 1 所示，發光二極體 （LED） 的能效高、壽命長、用途廣，因此在各種應用中廣受歡迎，包括家庭、辦公室、汽車和電子顯示幕的照明光源。 LED 技術不斷進步，以滿足不斷發展的需求。 這種進步涉及集成先進功能，如智慧照明與物聯網（IoT）技術，以及通過提高發光效率、熱量管理和整體性能來提高 LED 照明或指示燈的效率。 此外，顯示技術的不斷發展旨在提高 LED 顯示器（如由數千個 LED 組成的迷你和微型 LED）的對比度、能效和解析度。
與有機發光二極體（OLED）和液晶顯示器（LCD）技術相比，微型 LED 具有更高的亮度、更高的效率以及集成感測器等附加功能的能力等顯著優勢。 然而，由於其生產成本高、技術複雜，其應用主要局限於增強現實（AR）/虛擬實境（VR）顯示器、汽車照明和透明顯示器等利基市場。 這些改進推動了對用於評估LED特性的測量系統的需求不斷增長。
圖 1.各種應用中的 LED
LED 的主要電氣特性
在開發或製造 LED 時，瞭解其電氣、光學和光-電流-電壓 （LIV） 特性對確保最佳性能和功能至關重要。 瞭解電氣特性可確保LED在指定的電壓和電流範圍內工作，這對電路設計至關重要。 反之，光學特性則有助於深入了解發光品質，包括亮度、色彩精度和分佈。 LIV 特性為了解光輸出、電流和電壓之間的關係提供了寶貴的資訊，有助於優化操作參數以提高能效。 表 1 列出了 LED 的電氣特性; 圖 2 顯示了 IV 特性和熱特性。
表 1.LED 的主要電氣特性
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VF：正向電壓 |
正向電壓是打開LED所需的電壓。 評估時，施加 IF（正向電流）並測量電壓 VF。 |
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IR ： 反向電流 |
反向電流是指反向偏壓下的洩漏電流。 電流通常較小，例如小於 1 μA; 但這取決於LED的類型。 為進行評估，請施加 VR （反向電壓）並測量電流 IR 。 |
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IV 曲線 |
正向和反向偏壓下的IV曲線表示不同工作條件下的行為。 評估時，可掃描電壓（或電流）並測量電流（或電壓）。 在大電流下進行正向鑒定時，與直流掃描不同，脈衝掃描可防止自熱效應。 |
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熱特性 |
圖 2.LED 的電流-電壓和熱特性
使用光源/測量裝置進行LED特性分析
LED 測試通常使用源/測量單元 （SMU） 來實現各種目的，包括作為精確的 IV 源和測量工具來評估電氣特性。 源/測量單元還可用作精密偏置源，用於評估與光學儀器同步的光學和 LIV 特性。 SMU 是一種多功能儀器，集電流源、電壓源、電流錶和電壓表的功能於一身。 SMU 可在這些功能之間無縫切換，並準確測量電流和電壓輸出。
內部反饋電路使SMU即使在負載條件發生意外變化時也能保持穩定性和準確性。 這種可靠性使 SMU 成為鑒定 LED 等半導體器件的首選工具。 圖 3 展示了一個典型的設置，說明 SMU 如何與光學儀器同步，作為精密偏置源進行光學和光電流-電壓特性分析。
圖 3.典型的 LED 表征設置
然而，隨著 LED 技術的發展以滿足日益增長的需求，LED 設備和應用（如迷你和微型 LED）的演變要求 SMU 能夠滿足日益嚴格的要求。
挑戰
以下是工程師完成精確測試必須克服的主要挑戰。 主要挑戰包括空間和密度限制、精度要求和系統開發複雜性。
挑戰 1：工作人員-管理層單位的數量和空間需求不斷增加
要有效評估每個由數千個 LED 組成的微型或小型 LED，需要大量 SMU 通道和大量空間，因此需要進行並行 IV 測試。 在對多個 LED 進行耗時測試時，這種方法還能有效提高測試輸送量。 不過，並行IV測試雖然能提高測試輸送量，但也需要SMU佔用大量空間。
挑戰 2：測量儀器性能要求
隨著對先進 LED 的需求不斷增長，需要更高的精度，尤其是在低電流、脈衝或瞬態測量中。 在測試小電流、低反向電流時，精確的靈敏度至關重要，以防止雜訊干擾這些測量。 窄脈衝IV不足會因自熱而影響正向特性。 此外，在脈衝IV或熱測試期間，有限的瞬態測量能力可能會妨礙捕捉電流或電壓瞬態。 有些SMU整合了內置脈衝發生器和數位轉換器。 然而，它們的性能可能無法滿足所需要求。 在這種情況下，有必要使用外部脈衝發生器或數位轉換器。
挑戰 3：測試序列和物理連接的複雜性不斷增加
在進行同步光學測試時，或在進行脈衝或瞬態測量時，內部或外部脈衝發生器和數位轉換器之間需要在光學儀器和 SMU 之間實現精確同步。 這些要求導致更高的儀器控制和布線複雜性。 隨著SMU通道數量的增加，精確同步變得更加重要。 從測試軟體開發的角度來看，整個測試設置的自動化進一步增加了複雜性。
解決方案
要克服 LED IV 測試中的多方面挑戰，工程師必須尋找一種能夠應對所有這些挑戰的多功能光源/測量單元。 以下是為LED測試選擇SMU時的三大考慮因素，它們是應對每項挑戰的關鍵。
解決方案 1： 採用高密度緊湊型 SMU
利用高通道密度 SMU 外形，工程師可以節省寶貴的機架空間，最大限度地減少測試系統的佔地面積。 外形尺寸應側重於通道數量以及配置SMU通道類型和規格的靈活性。 一些靈活的 SMU 允許任何混合模組配置，以實現靈活的可擴充性。
解決方案 2： 使用高精度 SMU
有些 SMU 設計有超高精度功能，可在從反向偏壓到正向偏壓的整個 LED 偏置範圍內進行精確的 IV 特性分析。 特別是對於大功率 LED，SMU 的窄脈衝功能可在進行 IV 特性分析的同時最大限度地減少自熱。
在熱測試中，速度更快的數位化儀和靈活的觸發系統可以捕捉熱引起的瞬態，從根本上消除器件自熱或雜訊問題引起的任何測量誤差。 圖 4 是正向和反向偏置電壓的 IV 曲線掃描範例。 圖 5 顯示了脈衝瞬態回應方法，以最大限度地減少器件自熱效應。
圖 4.帶有正向和反向偏置的 LED 的 IV 曲線
圖 5.利用脈衝 IV 特性最大限度地減少器件自熱
解決方案 #3：採用帶有智慧觸發系統的SMU
帶有智慧觸發系統的單箱解決方案可簡化儀器控制，並使每個SMU和外部光學儀器的布線同步。 集成了脈衝發生器和數位轉換器功能的一體化 SMU 可有效減少所需的測試儀器和系統佔地面積。 該系統無需額外的佈線和手動同步，從而解決了在小空間內進行並行IV測試的難題。
結論
Micro-LED 技術不斷進步，但在成為主流技術之前仍面臨著需要解決的重大障礙。 隨著各種應用對微型 LED 的需求不斷增長，製造商在精密 IV 測試解決方案方面面臨著多重挑戰。 要克服這些挑戰並在不斷增長的 LED 市場中獲得競爭優勢，為 IV 測試解決方案選擇正確的 SMU 非常重要。 合適的 SMU 可以成為應對 IV 表徵挑戰的工具，包括光學測試中的密度、精度、同步和偏差。 多功能、高精度的SMU對確保LED的可靠性和高性能至關重要。
關於作者
戈比納特-泰米爾-瓦南
產品營銷經理
凱世特科技公司
Gobinath 畢業於斯威本科技大學，獲得電氣與電子工程學位，在半導體、航空航太與國防、汽車行業以及自動化測試領域擁有超過 9 年的工作經驗。 在 Keysight，他與現場工程師、產品經理和研發工程師密切合作，確保行業內所有相關的客戶需求都能儘早得到滿足，從而幫助客戶取得成功，並解決測試和測量方面的巨大挑戰。
