半导体发光二极管测试方法.docx

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半导体发光二极管测试方法

发光二极管测试方法

摘要

系统地介绍了与发光二极管测试有关的术语和定义,在此基础上,详细介绍了测试方法和测试装置的要求。

1前言

半导体发光二极管是一种重要的光电子器件,它在科学研究和工农业生产中均有非常广泛的应用.发光二极管虽小,但要准确测量它的各项光和辐射参数并非一件易事.目前在世界范围内的测试比对还有较大的差异.鉴于此,CIE（国际照明委员会）TC2-34小组对此进行了研究,所提出的技术报告形成了CIE127-1997文件.

中国光学光电子行业协会光电器件专业分会根据国内及行业内部的实际情况,初步制定了行业标准"发光二极管测试方法",2002年起在行业内部试行.本文叙述了与发光二极管测试有关的术语和定义,在此基础上,详细介绍了测试方法和测试装置的要求,以期收到抛砖引玉之效果.

本文涉及的测试方法适用于紫外/可见光/红外发光二极管及其组件,其芯片测试可以参照进行。

2术语和定义

2.1发光二极管LED

除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。

严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,InfraredEmittingDiode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。

2.2光轴Opticalaxis

最大发光（或辐射）强度方向中心线。

2.3正向电压VFForwardvoltage

通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。

2.4反向电流IRReversecurrent

加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。

2.5反向电压VRReversevoltage

被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。

2.6总电容CCapacitance

在规定正向偏压和规定频率下，发光二极管两端的电容。

2.7开关时间Switchingtime

涉及以下概念的最低和最高规定值是10％和90％，除非特别注明。

2.7.1开启延迟时间td（on）Turn-ondelaytime

输入脉冲前沿最低规定值到输出脉冲前沿最低规定值之间的时间间隔。

2.7.2上升时间trRisetime

输出脉冲前沿最低规定值到最高规定值之间的时间间隔。

2.7.3开启时间tonTurn-ontime

器件所加输入脉冲前沿的最低规定值到输出脉冲前沿最高规定值之间的时间间隔。

ton=td（on）+tr

2.7.4关闭延迟时间td（off）Turn-offdelaytime

器件所加输入脉冲后沿的最高规定值到输出脉冲后沿最高规定值之间的时间间隔。

2.7.5下降时间tfFalltime

输出脉冲后沿最高规定值到最低规定值之间的时间间隔（见图1）。

图1开关时间延迟时间

2.7.6关闭时间toffTurn-offtime

器件所加输入脉冲后沿的最低规定值到输出脉冲后沿最低规定值之间的时间间隔。

toff=td（off）+tf

2.8光通量ΦvLuminousflux

通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口发射的光通量。

2.9辐射功率ΦeRadiantpower

通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口发射的辐射功率。

2.10辐射功率效率ηeRadiantpowerefficiency

器件发射的辐射功率与器件的电功率（正向电流乘以正向电压）的比值：

ηe=Φe/（IF·VF）

注：

在与其它术语不会混淆时，可简称为辐射效率（Radiantefficiency）。

2.11光通量效率ηvLuminousfluxefficiency

器件发射的光通量Φv与器件的电功率（正向电流IF乘以正向电压VF）的比值：

ηv=Φv/（IF·VF）

注：

在与其它术语不会混淆时，可简称为发光效率（Luminousefficiency）。

2.12发光（或辐射）空间分布图及相关特性

2.12.1发光（或辐射）强度IvLuminous（orRadiant）intensity

光源在单位立体角内发射的光（或辐射）通量，可表示为Iv=dΦ/dΩ。

发光（或辐射）强度的概念要求假定辐射源是一个点辐射源，或者它的尺寸和光探测器的面积与离光探测器的距离相比是足够小，在这种情形，光探测器表面的光（或辐射）照度遵循距离平方反比定理，即E=I/d2。

这里I是辐射源的强度，d是辐射源中心到探测器中心的距离。

把这种情况称为远场条件。

然而在许多应用中，测量LED时所用的距离相对较短，源的相对尺寸太大，或者探测器表面构成的角度太大，这就是所谓的近场条件。

此时，光探测器测量的光（或辐射）照度取决于正确的测量条件。

2.12.2平均LED强度AveragedLEDintensity

照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量Φ与由探测器构成的立体角Ω的比值，立体角可将探测器的面积S除以测量距离d的平方计算得到。

I=Φ/Ω=Φ/（S/d2）

CIE推荐标准条件A和B（见7.2.1.2）来测量近场条件下的平均LED强度,可以分别用符号ILEDA和ILEDB来表示,用符号ILEDAe和ILEDAv分别表示标准条件A测量的平均LED辐射强度和平均LED发光强度。

2.12.3发光（或辐射）强度空间分布图Luminous（orRadiant）diagram

反映器件的发光（或辐射）强度空间分布特性（见图2）：

Iv（或Ie）=f（θ）

图2辐射图和有关特性

注1：

除非另外规定，发光（或辐射）强度分布应该规定在包括机械轴Z的平面内。

注2：

如果发光（或辐射）强度分布图形有以Z轴为旋转对称特性，发光（或辐射）强度空间分布图仅规定一个平面。

注3：

如果没有以Z轴为旋转对称特性，各种角度θ的发光（或辐射）强度分布应有要求，X、Y、Z方向要求可有详细规范定义。

2.12.4半强度角θ1/2Half-intensityangle

在发光（或辐射）强度分布图形中，发光（或辐射）强度大于最大强度一半构成的角度（见图2）。

2.12.5偏差角ΔθMisalignmentangle

在发光（或辐射）强度分布图形中，最大发光（或辐射）强度方向（光轴）与机械轴Z之间的夹角（见图2）。

2.13光谱特性

2.13.1峰值发射波长λpPeak-emissionwavelength

光谱辐射功率最大的波长。

2.13.2光谱辐射带宽ΔλSpectralradiationbandwith

光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔。

2.13.3光谱功率（能量）分布P（λ）Spectralpowerdistribution

在光辐射波长范围内，各个波长的辐射功率分布情况。

3最大额定值

3.1最低和最高储存温度（Tstg）

3.2最低和最高工作环境温度或管基温度（Tamb或Tcase）

3.3最大反向电压（VR）

注：

不可用于相互首尾相接的双管器件。

3.4在25℃环境或管基温度时的最大连续正向电流（IF）和减额定值曲线或减额定值系数。

3.5在适当地方，在规定脉冲条件下，在25℃环境或管基温度时的最大峰值正向电流（IFM）

4主要光电特性（见表1）

5一般要求

5.1试验条件

除非另有规定，器件的光电参数测试应按本标准规定试验条件进行。

5.1.1标准大气条件

温度：

15℃～35℃

相对湿度：

20％～80％

气压：

86kPa～106kPa

5.1.2仲裁试验的标准大气条件

温度：

25℃±1℃；

相对湿度：

48％～52％；

气压：

86kPa～106kPa

5.1.3环境条件

a）测试环境应无影响测试准确度的机械振动和电磁干扰；.

b）除非另有规定，器件全部光电参数均应在热平衡下进行；

c）测试系统应接地良好。

5.2参数要求

除非另有规定，器件测试应采取预防措施和保持下述公差。

虽然在有关文件中规定的测试条件严于下述公差，但在一般情况下，应遵循下述规定的条件。

a）偏置条件应在规定值的±3％以内；

b）输入脉冲特性，重复频率和频率等的误差应在±10％以内；

c）测量开关参数的误差应在±5％以内；

d）测量直流电参数误差不大于±2％；

e）测量辐射功率的误差不大于5％；

f）测量峰值辐射波长的误差不大于±2nm；

g）测量半强度角误差不大于10％；

h）测量发光强度误差不大于25％。

6测试方法

测试方法分为：

a）1000类电特性测试方法

--方法1001正向电压

--方法1002反向电压

--方法1003反向电流

--方法1004总电容

b）2000类光特性测试方法

--方法2001平均LED强度

--方法2002半强度角和偏差角

--方法2003光通量和发光效率

--方法2004辐射通量和辐射效率

--方法2005峰值发射波长，光谱辐射带宽和光谱功率分布

c）3000类光电特性测试方法

--方法3001开关时间

6.11000类电特性测试方法

6.1.1方法1001：

正向电压

6.1.1.1目的

测量LED器件在规定正向工作电流下，两电极间产生的电压降。

6.1.1.2测试框图（见图3）

图3方法1001测试框图

D--被测LED器件；

G--恒流源；

A--电流表；

V--电压表。

6.1.1.3测试步骤

a）按图3原理连接测试系统，并使仪器预热；

b）调节恒流源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的正向电压。

6.1.1.4规定条件

环境或管基温度；

电源电压；

正向偏置电流。

6.1.2方法1002：

反向电压

6.1.2.1目的

测量通过LED器件的反向电流为规定值时，在两电极之间产生的反向电压。

6.1.2.2测试框图（见图4）

图4方法1002测试框图

D--被测LED器件；

G--稳压源；

A--电流表；

V--电压表。

6.1.2.3测试步骤

a）按图4原理连接测试系统，并使仪器预热。

b）调节稳压电源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的反向电压。

6.1.2.4规定条件

环境或管基温度；

电源电压；

反向电流。

6.1.3方法1003：

反向电流

6.1.3.1目的

测量在被测LED器件施加规定的反向电压时产生的反向电流。

6.1.3.2测试框图（见图5）

图5方法1003测试框图

D--被测LED器件；

G--稳压源；

A--电流表；

V--电压表。

6.1.3.3测试步骤

a）按图5原理连接测试系统，并使仪器预热。

b）调节稳压电源，使电压表读数为规定值，这时在直流电流表上的读数即为被测器件的反向电流。

6.1.3.4规定条件

环境或管基温度；

电源电压；

反向电流。

6.1.4方法1004：

总电容

6.1.4.1目的

在被测LED器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号时，测量被测器件两端的电容值。

6.1.4.2测试框图（见图6）

图6方法1004测试框图

D--被测LED器件；

C0--隔离电容；

A--电流表；

V--电压表；

L--电感。

6.1.4.3测试步骤

a）按图6原理连接测试系统，并使仪器预热；

b）调节电压源和调节电容仪，分别给被测LED器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号，将电容仪刻度盘上读数扣去电容C0等效值即为被测LED器件总电容值。

6.1.4.4规定条件

环境或管基温度；

正向偏置电压；

电容仪提供规定频率的信号。

6.22000类光特性测试方法

6.2.1方法2001：

平均LED强度

6.2.1.1目的

测量半导体发光二极管平均LED强度。

6.2.1.2测试框图（见图7）

图7方法2001测试框图

D--被测LED器件；

G--电流源；

PD--包括面积为A的光阑D1的光度探测器；

D2、D3--消除杂散光光栏,D2,D3不应限制探测立体角；

d--被测LED器件与光阑D1之间的距离。

注1：

调整被测LED器件使它的机械轴通过探测器孔径的中心。

注2：

光度探测器的光谱灵敏度在被测器件发射的光谱波长范围内应该校准到CIE（国际照明委员会）标准光度观测者光谱曲线;测试辐射参数时应采用无光谱选择性的光探测器。

测试系统应该按距离d和光阑D1用标准器校正。

测量距离d应按CIE推荐的标准条件A和B设置。

在这两种条件下,所用的探测器要求有一个面积为100mm2（相应直径为11.3mm）的园入射孔径。

CIE推荐

LED顶端到探测器的距离d

立体角

平面角（全角）

标准条件A

316mm

0.001sr

2o

标准条件B

100mm

0.01sr

6.5o

注3：

对于脉冲测量，电流源应该提供所要求的幅度，宽度和重复率的电流脉冲。

探测器上升时间相对于脉冲宽度应该足够小，系统应该是一个峰值测量仪器。

6.2.1.3测量步骤

被测LED器件按照选定的形式定位给被测器件加上规定的电流，在光度测量系统测量平均LED强度。

6.2.1.4规定条件

环境温度和合适的大气条件；

正向电流和，需要的话，宽度和重复率；

6.2.2方法2002：

半强度角和偏差角

6.2.2.1目的

测量半导体发光二极管在规定的工作电流下的平均LED强度的空间分布和半最大强度角及偏差角。

半强度角θ1/2是发光（或辐射）强度大于等于最大强度一半构成的角度（见图8），在平均LED强度分布图形中，最大强度方向（光轴）与机械轴Z之间的夹角即为偏差角Δθ（见图８）。

6.2.2.1测试框图（见图８）

图8方法2002测试框图

D：

被测LED器件；

G：

电流源；

PD：

包括面积为A的光阑D1的光度探测器；

D2,D3：

消除杂散光光栏,D2,D3不应限制探测立体角；

d：

被测LED器件与光阑D1之间的距离；

θ：

Z轴和探测器轴之间的夹角。

注1：

距离d应该设置为CIE标准条件A或B；

注2：

对于脉冲测量，电流源应该提供所要求的幅度、宽度和重复率的电流脉冲，探测器上升时间相对于脉冲宽度应该足够小，系统应该是一个峰值测量仪器；

注3：

被测LED定位在一种装置上（如：

旋转中心位于系统光轴上的角度盘上，度盘应该有足够的角度刻度精度），要求：

--被测LED器件位置可精确再现；

--变化角度θ、器件D光学窗口的中心能保持固定；

--能测量夹角θ；

--能绕被测器件Z轴旋转；

--能测量关于X轴的旋转角。

6.2.2.2测量步骤

a）给被测器件加上规定的工作电流。

调正被测器件D的机械轴与光探测器轴重合，即θ＝0，测量光探测器的信号，把这个值设置为I0＝100％；

b）从0－±90°旋转度盘，光电测量系统测量各个角度时的发光强度值，得到相对强度I/I0与θ之间的关系，优先采用极坐标图来表示，其它形式，如直角坐标图，在空白详细规范中定义后可以使用。

在该图上分别读取半最大强度点对应的角度θ1θ2，半强度角Δθ=|θ2-θ1|。

偏差角就是Imax和I0方向之间的夹角。

6.2.2.3规定条件

环境和管基温度；

规定正向电流IF或者辐射功率Φe；

机械参照平面。

6.2.3方法2003:

光通量和发光效率

6.2.3.1目的

测量被测LED器件在规定条件下的光通量和发光效率。

6.2.3.2测试框图（见图9）

图9方法2003测试框图

图9方法2003测试框图

注1：

被测LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与光通量成比例的面出光度，一个位于球壁的探测器测量这个面出光度，一个漫射屏挡住光线，不使探测器直接照射到被测器件的光辐射；

注2：

被测器件、漫射屏、开孔的面积和球面积比较应该相对较小，球内壁和漫射屏表面应有均匀的高反射率漫反射镀层（最小0.8）。

球和探测器组合应该校准，应该考虑到峰值发射波长和光通量由于功率消耗产生的变化。

注3：

也可以用变角光度计测量。

6.2.3.3测量步骤

被测量器件放在积分球入口处，不要使光线直接到达探测器。

给被测器件施加规定的正向电流IF，光度探测系统测量出光通量。

将光通量数值除以正向电流IF和正向电压VF的乘积值即为发光效率。

6.2.3.4规定条件

环境和管基温度；

正向电流。

6.2.4方法2004：

辐射通量和辐射效率

6.2.4.1目的

测量被测LED器件在规定条件下的辐射通量（功率）和辐射效率。

6.2.4.2测试框图（见图10）

图10方法2002测试框图

图10方法2002测试框图

注：

被测LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与辐射通量成比例的面辐射出射度，一个位于球壁的探测器测量这个面辐射出射度，一个漫射屏挡住光线，不使探测器直接照射到被测器件的光辐射。

被测器件、漫射屏、开孔的面积和球面积比较应该相对较小，球内壁和漫射屏表面应有均匀的高反射率漫反射镀层（最小0.8）。

球和探测器组合应该用辐射标准进行校准,测量单位为瓦特。

应该考虑到峰值发射波长和辐射通量由于功率消耗产生的变化。

6.2.4.3测量步骤

被测量器件放在积分球入口处，不要使光线直接到达探测器，给被测器件施加规定的正向电流IF，辐射探测系统测量出辐射通量，将辐射通量数值除以正向电流IF和正向电压VF的乘积值即为辐射效率。

6.2.4.4规定条件

环境和管基温度；

正向电流。

6.2.5方法2005：

峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布

6.2.5.1目的

在规定正向工作电流下，测量被测LED器件的峰值发射波长，光谱辐射带宽和光谱功率分布。

6.2.5.2测试框图（见图11）

图11方法2005测试框图

D：

被测LED器件；

G：

电流源；

L：

聚焦透镜系统；

G：

电流源（直流或脉冲）；

D2,D3：

消除杂散光光栏；

M：

单色仪；

RM：

包括光阑D1的辐射探测系统。

注：

单色仪的波长分辨率和带宽应该使测试有合适的精度。

辐射探测系统的光谱响应应该校准。

为便于测量，曲线峰值可以用100％表示。

如果单色仪的光谱透过率和辐射探测系统的光谱灵敏度不是常数，记录的测量数据应该修正。

6.2.5.3测量步骤

在需要的光谱范围内调整单色仪的波长直到辐射测量系统获得最大读数，相应的波长就是峰值波长（λp），然后往λp的两边调整单色仪的波长直到峰值波长读数的一半，获得相对应的波长λ1和λ2，两者之差就是光谱辐射带宽（见图12）。

按照要求的波长间隔分别测量记录每个波长时的光谱功率数值，即为光谱功率分布。

图12光谱分布带宽

6.2.5.4规定条件

环境和管基温度；

规定的正向电流（直流或脉冲）。

6.33000类：

光电特性测试方法

6.3.1方法3001:

开关时间

6.3.1.1目的

测量被测LED器件的开启时间ton（开启延时时间td（on）＋上升时间tr）和关闭时间toff（关闭延时时间td（off）＋下降时间tr）。

6.3.1.2测试框图（见图13）

图13方法3001测试框图

D：

被测LED器件；

G1：

高阻电流脉冲发生器；

G2：

直流电流偏置电源；

G3：

直流电压偏置电源；

Rd:

匹配发生器阻抗的电阻；

RL:

负载电阻；

M：

测量仪器；

PD：

光电二极管；

Syn：

同步信号。

注：

光电二极管的开关时间，实验电路和测量仪器的延迟时间，输入电流脉冲的上升时间和下降时间都应该足够短以保证不影响测量精度。

在光脉冲顶部获得的平均输出功率（见图1）没有必要等于直流偏置电流与输入脉冲电流之和时的连续辐射功率。

6.3.1.3测量步骤

把规定的直流和脉冲电流加到被测器件，用测量仪器M测量开关时间。

100％的辐射输出功率电平就是辐射脉冲顶端获得的平均输出功率。

0％电平是在直流偏置电流时的输出功率。

6.3.1.4规定条件

环境和管基温度；

直流偏置电流；

光学窗口；

光学结构。

7量值传递

发光强度是LED器件主要光参数，由于有些LED非点光源且各向异性，在近场条件下,LED光度测试过程中会产生很多误差。

因此CIE推荐用LED平均强度的概念来作为LED发光强度测量的基础.目前最好的LED测试技术是将被测LED和在光谱和空间功率分布与其尽可能接近一致的参照标准样管进行比对测试.发光强度测试仪器和参照标准样管的标定和校准必须采用统一的方法和基准。

8.1原理

发光强度的单位是坎德拉（candela，符号为cd），它是国际单位制的七个基本单位之一。

1979年前世界上只有9个国家建立了光强基准，我国很早就建立了光度基准和2856K色温的光强度工作基准。

因此，确定由国家或省（市）级法定计量测试部门标定的2856K光强标准灯作为发光强度传递的工具。

8.2方法

a）用色温为2856K的光强标准灯对LED测试系统进行校准和标定。

b）用具有CIE标准光度观测者光谱响应的光电探测器分别对专门挑选的LED器件和色温为2856K的光强标准灯进行比对测试，对不同光谱功率分布的LED器件求得他们的光谱修正系数（SCF,Spectralcorrectionfactor）,从而把标准灯光强数值传递到LED器件上，以此作为LED光强参照标准样管.但是作为参照标准样管的LED器件必须有严格的要求。

它们主要是：

--优良的稳定性，必须进行严格的筛选和老化,必须规定最少老化时间；

--采用光轴和机械轴重合的LED器件作参照样管.或采用光强（辐射）分布图形近似为圆形的器件。

--参照标准样管工作时,必须使其在恒定的温度和驱动电流（20mA）下工作,保证其有一个恒定的光学输出.

c）建立专门实验室进行仲裁性测试和各种参照标准样管的定标。

附录1.基本辐射度量和光度量

1.辐射度量

1.1辐射能Qeradiantenergy

以辐射的形式发射,传输和接收的能量,单位为J（焦耳）。

1.2辐射通量Φeradiantflux

辐射通量又常称为辐