由于發光二極管 (LED) 具備能效高、壽命長、用途廣等優勢，因此在各種應用中廣受歡迎，正如圖1所示，可應用在家庭、辦公室、汽車和電子顯示屏等應用場景中。LED 技術不斷進步，以滿足不斷發展的需求。這種進步包括集成先進功能，如智能照明與物聯網（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、能效和分辨率。

與有機發光二極管（OLED）和液晶顯示器（LCD）技術相比，微型 LED在亮度、效率以及集成傳感器等附加功能方面更具優勢。然而，由于其生產成本高、技術復雜，其應用主要局限于增強現實（AR）/虛擬現實（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于評估 LED 特性的測量系統的需求不斷增長。

圖1 各種應用領域中的LED

LED的主要電氣特性

在開發或制造 LED 時，了解其電氣、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。了解電氣特性可確保 LED 在規定的電壓和電流范圍內工作，這對電路設計至關重要。反之，光學特性則有助于深入了解發光的質量，包括亮度、色彩精度和分布。LIV 特性為了解光輸出、電流和電壓之間的關系提供了寶貴的信息，有助于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

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) 來進行各種測試，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，用于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、電流表和電壓表的功能于一身。SMU 可在這些功能之間無縫切換，并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 成為表征 LED 等半導體器件的首選工具。圖 3 展示了一個典型的設置，說明了 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技術的進步以滿足日益增長的需求，LED 設備和應用（如迷你和微型 LED）的發展需要 SMU 能夠滿足日益嚴格的要求。

挑戰

以下是工程師為實現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復雜性。

挑戰1：SMU的數量和空間需求不斷增加

為了有效評估每個由數千個 LED 組成的微型或小型 LED，需要大量的SMU 通道和充足的空間，因此需要進行并行 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吞吐量。不過，并行 IV 測試雖然能提高測試吞吐量，但也需要 為SMU 提供充足的空間。

挑戰2：測量儀器性能要求

隨著對先進 LED 的需求不斷增長，對精度的要求也越來越高，尤其是在低電流、脈沖或瞬態測量中。在測試小電流、低反向電流時，精確的靈敏度至關重要，以防止噪聲干擾這些測量。窄脈沖 IV 不足會因自熱而影響正向特性。此外，在脈沖 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 集成了內置脈沖發生器和數字轉換器。然而，它們的性能可能無法滿足所需要求。在這種情況下，就必須使用外部脈沖發生器或數字轉換器。

挑戰3：測試序列和物理連接的復雜性不斷增加

在進行同步光學測試時，或在進行脈沖或瞬態測量時，內部或外部脈沖發生器和數字轉換器之間需要在光學儀器和 SMU 之間實現精確同步。這些要求導致儀器控制和布線復雜性增加。隨著 SMU 通道數量的增加，精確同步變得更加重要。從測試軟件開發的角度來看，整個測試設置的自動化進一步增加了復雜性。

解決方案

為了克服 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 時需要考慮的三大因素，它們是應對每項挑戰的關鍵。

解決方案1： 采用高密度緊湊型SMU

憑借高通道密度的 SMU 外形，工程師可以節省寶貴的機架空間，并最大限度地減少測試系統的占地面積。外形尺寸應側重于通道數量以及配置 SMU 通道類型和規格的靈活性。一些靈活的 SMU 允許任何混合模塊配置，以實現靈活的可擴展性。

解決方案2： 使用高精度SMU

有些 SMU 設計具有超高精度功能，可在從反向偏壓到正向偏壓的整個 LED 偏置范圍內進行精確的 IV 特性分析。特別是對于大功率 LED，SMU 的窄脈沖功能可在進行 IV 特性分析的同時最大限度地減少自熱。

在熱測試中，速度更快的數字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噪聲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 曲線掃描示例。圖 5 顯示了脈沖瞬態響應方法，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 利用脈沖IV特性最大限度地減少器件自熱

解決方案#3：采用帶有智能觸發系統的 SMU

帶有智能觸發系統的單箱解決方案可簡化儀器控制，并使每個 SMU 和外部光學儀器的布線實現同步。集成了脈沖發生器和數字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占地面積。該系統無需額外的布線和手動同步需求，從而解決了在小空間內進行并行 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，制造商在精密 IV 測試解決方案方面面臨著多重挑戰。要克服這些挑戰并在不斷增長的 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 表征挑戰的工具，包括光學測試中的密度、精度、同步和偏置。多功能、高精度的 SMU 對確保 LED 的可靠性和高性能至關重要。