发光二极管测试方法.docx

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发光二极管测试方法

發光二極體測試方法

摘要

系統地介紹了與發光二極體測試有關的術語和定義,在此基礎上,詳細介紹了測試方法和測試裝置的要求。

1前言

半導體發光二極體是一種重要的光電子器件,它在科學研究和工農業生産中均有非常廣泛的應用.發光二極體雖小,但要準確測量它的各項光和輻射參數並非一件易事.目前在世界範圍內的測試比對還有較大的差異.鑒於此,CIE（國際照明委員會）TC2-34小組對此進行了研究,所提出的技術報告形成了CIE127-1997文件.

中國光學光電子行業協會光電器件專業分會根據國內及行業內部的實際情況,初步制定了行業標準"發光二極體測試方法",2002年起在行業內部試行.本文敍述了與發光二極體測試有關的術語和定義,在此基礎上,詳細介紹了測試方法和測試裝置的要求,以期收到抛磚引玉之效果.

本文涉及的測試方法適用於紫外/可見光/紅外發光二極體及其元件,其晶片測試可以參照進行。

2術語和定義

2.1發光二極體LED

除半導體雷射器外，當電流激勵時能發射光學輻射的半導體二極體。

嚴格地講，術語LED應該僅應用於發射可見光的二極體；發射近紅外輻射的二極體叫紅外發光二極體（IRED,InfraredEmittingDiode）；發射峰值波長在可見光短波限附近，由部份紫外輻射的二極體稱爲紫外發光二極體；但是習慣上把上述三種半導體二極體統稱爲發光二極體。

2.2光軸Opticalaxis

最大發光（或輻射）強度方向中心線。

2.3正向電壓VFForwardvoltage

通過發光二極體的正向電流爲確定值時，在兩極間産生的電壓降。

2.4反向電流IRReversecurrent

加在發光二極體兩端的反向電壓爲確定值時，流過發光二極體的電流。

2.5反向電壓VRReversevoltage

被測LED器件通過的反向電流爲確定值時，在兩極間所産生的電壓降。

2.6總電容CCapacitance

在規定正向偏壓和規定頻率下，發光二極體兩端的電容。

2.7開關時間Switchingtime

涉及以下概念的最低和最高規定值是10％和90％，除非特別注明。

2.7.1開啓延遲時間td（on）Turn-ondelaytime

輸入脈衝前沿最低規定值到輸出脈衝前沿最低規定值之間的時間間隔。

2.7.2上升時間trRisetime

輸出脈衝前沿最低規定值到最高規定值之間的時間間隔。

2.7.3開啓時間tonTurn-ontime

器件所加輸入脈衝前沿的最低規定值到輸出脈衝前沿最高規定值之間的時間間隔。

ton=td（on）+tr

2.7.4關閉延遲時間td（off）Turn-offdelaytime

器件所加輸入脈衝後沿的最高規定值到輸出脈衝後沿最高規定值之間的時間間隔。

2.7.5下降時間tfFalltime

輸出脈衝後沿最高規定值到最低規定值之間的時間間隔（見圖1）。

圖1開關時間延遲時間

2.7.6關閉時間toffTurn-offtime

器件所加輸入脈衝後沿的最低規定值到輸出脈衝後沿最低規定值之間的時間間隔。

toff=td（off）+tf

2.8光通量ΦvLuminousflux

通過發光二極體的正向電流爲規定值時，器件光學視窗發射的光通量。

2.9輻射功率ΦeRadiantpower

通過發光二極體的正向電流爲規定值時，器件光學視窗發射的輻射功率。

2.10輻射功率效率ηeRadiantpowerefficiency

器件發射的輻射功率與器件的電功率（正向電流乘以正向電壓）的比值：

ηe=Φe/（IF·VF）

注：

在與其他術語不會混淆時，可簡稱爲輻射效率（Radiantefficiency）。

2.11光通量效率ηvLuminousfluxefficiency

器件發射的光通量Φv與器件的電功率（正向電流IF乘以正向電壓VF）的比值：

ηv=Φv/（IF·VF）

注：

在與其他術語不會混淆時，可簡稱爲發光效率（Luminousefficiency）。

2.12發光（或輻射）空間分佈圖及相關特性

2.12.1發光（或輻射）強度IvLuminous（orRadiant）intensity

光源在單位立體角內發射的光（或輻射）通量，可表示爲Iv=dΦ/dΩ。

發光（或輻射）強度的概念要求假定輻射源是一個點輻射源，或者它的尺寸和光探測器的面積與離光探測器的距離相比是足夠小，在這種情形，光探測器表面的光（或輻射）照度遵循距離平方反比定理，即E=I/d2。

這裏I是輻射源的強度，d是輻射源中心到探測器中心的距離。

把這種情況稱爲遠場條件。

然而在許多應用中，測量LED時所用的距離相對較短，源的相對尺寸太大，或者探測器表面構成的角度太大，這就是所謂的近場條件。

此時，光探測器測量的光（或輻射）照度取決於正確的測量條件。

2.12.2平均LED強度AveragedLEDintensity

照射在離LED一定距離處的光探測器上的通量Φ與由探測器構成的立體角Ω的比值，立體角可將探測器的面積S除以測量距離d的平方計算得到。

I=Φ/Ω=Φ/（S/d2）

CIE推薦標準條件A和B（見7.2.1.2）來測量近場條件下的平均LED強度,可以分別用符號ILEDA和ILEDB來表示,用符號ILEDAe和ILEDAv分別表示標準條件A測量的平均LED輻射強度和平均LED發光強度。

2.12.3發光（或輻射）強度空間分佈圖Luminous（orRadiant）diagram

反映器件的發光（或輻射）強度空間分佈特性（見圖2）：

Iv（或Ie）=f（θ）

圖2輻射圖和有關特性

注1：

除非另外規定，發光（或輻射）強度分佈應該規定在包括機械軸Z的平面內。

注2：

如果發光（或輻射）強度分佈圖形有以Z軸爲旋轉對稱特性，發光（或輻射）強度空間分佈圖僅規定一個平面。

注3：

如果沒有以Z軸爲旋轉對稱特性，各種角度θ的發光（或輻射）強度分佈應有要求，X、Y、Z方向要求可有詳細規範定義。

2.12.4半強度角θ1/2Half-intensityangle

在發光（或輻射）強度分佈圖形中，發光（或輻射）強度大於最大強度一半構成的角度（見圖2）。

2.12.5偏差角ΔθMisalignmentangle

在發光（或輻射）強度分佈圖形中，最大發光（或輻射）強度方向（光軸）與機械軸Z之間的夾角（見圖2）。

2.13光譜特性

2.13.1峰值發射波長λpPeak-emissionwavelength

光譜輻射功率最大的波長。

2.13.2光譜輻射帶寬ΔλSpectralradiationbandwith

光譜輻射功率大於等於最大值一半的波長間隔。

2.13.3光譜功率（能量）分佈P（λ）Spectralpowerdistribution

在光輻射波長範圍內，各個波長的輻射功率分佈情況。

3最大額定值

3.1最低和最高儲存溫度（Tstg）

3.2最低和最高工作環境溫度或管基溫度（Tamb或Tcase）

3.3最大反向電壓（VR）

注：

不可用於相互首尾相接的雙管器件。

3.4在25℃環境或管基溫度時的最大連續正向電流（IF）和減額定值曲線或減額定值係數。

3.5在適當地方，在規定脈衝條件下，在25℃環境或管基溫度時的最大峰值正向電流（IFM）

4主要光電特性（見表1）

5一般要求

5.1試驗條件

除非另有規定，器件的光電參數測試應按本標準規定試驗條件進行。

5.1.1標準大氣條件

溫度：

15℃～35℃

相對濕度：

20％～80％

氣壓：

86kPa～106kPa

5.1.2仲裁試驗的標準大氣條件

溫度：

25℃±1℃；

相對濕度：

48％～52％；

氣壓：

86kPa～106kPa

5.1.3環境條件

a）測試環境應無影響測試準確度的機械振動和電磁干擾；.

b）除非另有規定，器件全部光電參數均應在熱平衡下進行；

c）測試系統應接地良好。

5.2參數要求

除非另有規定，器件測試應採取預防措施和保持下述公差。

雖然在有關文件中規定的測試條件嚴於下述公差，但在一般情況下，應遵循下述規定的條件。

a）偏置條件應在規定值的±3％以內；

b）輸入脈衝特性，重復頻率和頻率等的誤差應在±10％以內；

c）測量開關參數的誤差應在±5％以內；

d）測量直流電參數誤差不大於±2％；

e）測量輻射功率的誤差不大於5％；

f）測量峰值輻射波長的誤差不大於±2nm；

g）測量半強度角誤差不大於10％；

h）測量發光強度誤差不大於25％。

6測試方法

測試方法分爲：

a）1000類電特性測試方法

--方法1001正向電壓

--方法1002反向電壓

--方法1003反向電流

--方法1004總電容

b）2000類光特性測試方法

--方法2001平均LED強度

--方法2002半強度角和偏差角

--方法2003光通量和發光效率

--方法2004輻射通量和輻射效率

--方法2005峰值發射波長，光譜輻射帶寬和光譜功率分佈

c）3000類光電特性測試方法

--方法3001開關時間

6.11000類電特性測試方法

6.1.1方法1001：

正向電壓

6.1.1.1目的

測量LED器件在規定正向工作電流下，兩電極間産生的電壓降。

6.1.1.2測試框圖（見圖3）

圖3方法1001測試框圖

D--被測LED器件；

G--恒流源；

A--電流錶；

V--電壓表。

6.1.1.3測試步驟

a）按圖3原理連接測試系統，並使儀器預熱；

b）調節恒流源，使電流錶讀數爲規定值，這時在直流電壓表上的讀數即爲被測器件的正向電壓。

6.1.1.4規定條件

環境或管基溫度；

電源電壓；

正向偏置電流。

6.1.2方法1002：

反向電壓

6.1.2.1目的

測量通過LED器件的反向電流爲規定值時，在兩電極之間産生的反向電壓。

6.1.2.2測試框圖（見圖4）

圖4方法1002測試框圖

D--被測LED器件；

G--穩壓源；

A--電流錶；

V--電壓表。

6.1.2.3測試步驟

a）按圖4原理連接測試系統，並使儀器預熱。

b）調節穩壓電源，使電流錶讀數爲規定值，這時在直流電壓表上的讀數即爲被測器件的反向電壓。

6.1.2.4規定條件

環境或管基溫度；

電源電壓；

反向電流。

6.1.3方法1003：

反向電流

6.1.3.1目的

測量在被測LED器件施加規定的反向電壓時産生的反向電流。

6.1.3.2測試框圖（見圖5）

圖5方法1003測試框圖

D--被測LED器件；

G--穩壓源；

A--電流錶；

V--電壓表。

6.1.3.3測試步驟

a）按圖5原理連接測試系統，並使儀器預熱。

b）調節穩壓電源，使電壓表讀數爲規定值，這時在直流電流錶上的讀數即爲被測器件的反向電流。

6.1.3.4規定條件

環境或管基溫度；

電源電壓；

反向電流。

6.1.4方法1004：

總電容

6.1.4.1目的

在被測LED器件施加規定的正向偏壓和規定頻率的信號時，測量被測器件兩端的電容值。

6.1.4.2測試框圖（見圖6）

圖6方法1004測試框圖

D--被測LED器件；

C0--隔離電容；

A--電流錶；

V--電壓表；

L--電感。

6.1.4.3測試步驟

a）按圖6原理連接測試系統，並使儀器預熱；

b）調節電壓源和調節電容儀，分別給被測LED器件施加規定的正向偏壓和規定頻率的信號，將電容儀刻度盤上讀數扣去電容C0等效值即爲被測LED器件總電容值。

6.1.4.4規定條件

環境或管基溫度；

正向偏置電壓；

電容儀提供規定頻率的信號。

6.22000類光特性測試方法

6.2.1方法2001：

平均LED強度

6.2.1.1目的

測量半導體發光二極體平均LED強度。

6.2.1.2測試框圖（見圖7）

圖7方法2001測試框圖

D--被測LED器件；

G--電流源；

PD--包括面積爲A的光闌D1的光度探測器；

D2、D3--消除雜散光光欄,D2,D3不應限制探測立體角；

d--被測LED器件與光闌D1之間的距離。

注1：

調整被測LED器件使它的機械軸通過探測器孔徑的中心。

注2：

光度探測器的光譜靈敏度在被測器件發射的光譜波長範圍內應該校準到CIE（國際照明委員會）標準光度觀測者光譜曲線;測試輻射參數時應採用無光譜選擇性的光探測器。

測試系統應該按距離d和光闌D1用標準器校正。

測量距離d應按CIE推薦的標準條件A和B設置。

在這兩種條件下,所用的探測器要求有一個面積爲100mm2（相應直徑爲11.3mm）的園入射孔徑。

CIE推薦

LED頂端到探測器的距離d

立體角

平面角（全形）

標準條件A

316mm

0.001sr

2o

標準條件B

100mm

0.01sr

6.5o

注3：

對於脈衝測量，電流源應該提供所要求的幅度，寬度和重復率的電流脈衝。

探測器上升時間相對於脈衝寬度應該足夠小，系統應該是一個峰值測量儀器。

6.2.1.3測量步驟

被測LED器件按照選定的形式定位給被測器件加上規定的電流，在光度測量系統測量平均LED強度。

6.2.1.4規定條件

環境溫度和合適的大氣條件；

正向電流和，需要的話，寬度和重復率；

6.2.2方法2002：

半強度角和偏差角

6.2.2.1目的

測量半導體發光二極體在規定的工作電流下的平均LED強度的空間分佈和半最大強度角及偏差角。

半強度角θ1/2是發光（或輻射）強度大於等於最大強度一半構成的角度（見圖8），在平均LED強度分佈圖形中，最大強度方向（光軸）與機械軸Z之間的夾角即爲偏差角Δθ（見圖８）。

6.2.2.1測試框圖（見圖８）

圖8方法2002測試框圖

D：

被測LED器件；

G：

電流源；

PD：

包括面積爲A的光闌D1的光度探測器；

D2,D3：

消除雜散光光欄,D2,D3不應限制探測立體角；

d：

被測LED器件與光闌D1之間的距離；

θ：

Z軸和探測器軸之間的夾角。

注1：

距離d應該設置爲CIE標準條件A或B；

注2：

對於脈衝測量，電流源應該提供所要求的幅度、寬度和重復率的電流脈衝，探測器上升時間相對於脈衝寬度應該足夠小，系統應該是一個峰值測量儀器；

注3：

被測LED定位在一種裝置上（如：

旋轉中心位於系統光軸上的角度盤上，度盤應該有足夠的角度刻度精度），要求：

--被測LED器件位置可精確再現；

--變化角度θ、器件D光學窗口的中心能保持固定；

--能測量夾角θ；

--能繞被測器件Z軸旋轉；

--能測量關於X軸的旋轉角。

6.2.2.2測量步驟

a）給被測器件加上規定的工作電流。

調正被測器件D的機械軸與光探測器軸重合，即θ＝0，測量光探測器的信號，把這個值設置爲I0＝100％；

b）從0－±90°旋轉度盤，光電測量系統測量各個角度時的發光強度值，得到相對強度I/I0與θ之間的關係，優先採用極座標圖來表示，其他形式，如直角坐標圖，在空白詳細規範中定義後可以使用。

在該圖上分別讀取半最大強度點對應的角度θ1θ2，半強度角Δθ=|θ2-θ1|。

偏差角就是Imax和I0方向之間的夾角。

6.2.2.3規定條件

環境和管基溫度；

規定正向電流IF或者輻射功率Φe；

機械參照平面。

6.2.3方法2003:

光通量和發光效率

6.2.3.1目的

測量被測LED器件在規定條件下的光通量和發光效率。

6.2.3.2測試框圖（見圖9）

圖9方法2003測試框圖

圖9方法2003測試框圖

注1：

被測LED器件發射的光輻射經積分球壁的多次反射，導致産生一個均勻的與光通量成比例的面出光度，一個位於球壁的探測器測量這個面出光度，一個漫射屏擋住光線，不使探測器直接照射到被測器件的光輻射；

注2：

被測器件、漫射屏、開孔的面積和球面積比較應該相對較小，球內壁和漫射屏表面應有均勻的高反射率漫反射鍍層（最小0.8）。

球和探測器組合應該校準，應該考慮到峰值發射波長和光通量由於功率消耗産生的變化。

注3：

也可以用變角光度計測量。

6.2.3.3測量步驟

被測量器件放在積分球入口處，不要使光線直接到達探測器。

給被測器件施加規定的正向電流IF，光度探測系統測量出光通量。

將光通量數值除以正向電流IF和正向電壓VF的乘積值即爲發光效率。

6.2.3.4規定條件

環境和管基溫度；

正向電流。

6.2.4方法2004：

輻射通量和輻射效率

6.2.4.1目的

測量被測LED器件在規定條件下的輻射通量（功率）和輻射效率。

6.2.4.2測試框圖（見圖10）

圖10方法2002測試框圖

圖10方法2002測試框圖

注：

被測LED器件發射的光輻射經積分球壁的多次反射，導致産生一個均勻的與輻射通量成比例的面輻射出射度，一個位於球壁的探測器測量這個面輻射出射度，一個漫射屏擋住光線，不使探測器直接照射到被測器件的光輻射。

被測器件、漫射屏、開孔的面積和球面積比較應該相對較小，球內壁和漫射屏表面應有均勻的高反射率漫反射鍍層（最小0.8）。

球和探測器組合應該用輻射標準進行校準,測量單位爲瓦特。

應該考慮到峰值發射波長和輻射通量由於功率消耗産生的變化。

6.2.4.3測量步驟

被測量器件放在積分球入口處，不要使光線直接到達探測器，給被測器件施加規定的正向電流IF，輻射探測系統測量出輻射通量，將輻射通量數值除以正向電流IF和正向電壓VF的乘積值即爲輻射效率。

6.2.4.4規定條件

環境和管基溫度；

正向電流。

6.2.5方法2005：

峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分佈

6.2.5.1目的

在規定正向工作電流下，測量被測LED器件的峰值發射波長，光譜輻射帶寬和光譜功率分佈。

6.2.5.2測試框圖（見圖11）

圖11方法2005測試框圖

D：

被測LED器件；

G：

電流源；

L：

聚焦透鏡系統；

G：

電流源（直流或脈衝）；

D2,D3：

消除雜散光光欄；

M：

單色儀；

RM：

包括光闌D1的輻射探測系統。

注：

單色儀的波長解析度和帶寬應該使測試有合適的精度。

輻射探測系統的光譜回應應該校準。

爲便於測量，曲線峰值可以用100％表示。

如果單色儀的光譜透過率和輻射探測系統的光譜靈敏度不是常數，記錄的測量資料應該修正。

6.2.5.3測量步驟

在需要的光譜範圍內調整單色儀的波長直到輻射測量系統獲得最大讀數，相應的波長就是峰值波長（λp），然後往λp的兩邊調整單色儀的波長直到峰值波長讀數的一半，獲得相對應的波長λ1和λ2，兩者之差就是光譜輻射帶寬（見圖12）。

按照要求的波長間隔分別測量記錄每個波長時的光譜功率數值，即爲光譜功率分佈。

圖12光譜分佈帶寬

6.2.5.4規定條件

環境和管基溫度；

規定的正向電流（直流或脈衝）。

6.33000類：

光電特性測試方法

6.3.1方法3001:

開關時間

6.3.1.1目的

測量被測LED器件的開啓時間ton（開啓延時時間td（on）＋上升時間tr）和關閉時間toff（關閉延時時間td（off）＋下降時間tr）。

6.3.1.2測試框圖（見圖13）

圖13方法3001測試框圖

D：

被測LED器件；

G1：

高阻電流脈衝發生器；

G2：

直流電流偏置電源；

G3：

直流電壓偏置電源；

Rd:

匹配發生器阻抗的電阻；

RL:

負載電阻；

M：

測量儀器；

PD：

光電二極體；

Syn：

同步信號。

注：

光電二極體的開關時間，實驗電路和測量儀器的延遲時間，輸入電流脈衝的上升時間和下降時間都應該足夠短以保證不影響測量精度。

在光脈衝頂部獲得的平均輸出功率（見圖1）沒有必要等於直流偏置電流與輸入脈衝電流之和時的連續輻射功率。

6.3.1.3測量步驟

把規定的直流和脈衝電流加到被測器件，用測量儀器M測量開關時間。

100％的輻射輸出功率電平就是輻射脈衝頂端獲得的平均輸出功率。

0％電平是在直流偏置電流時的輸出功率。

6.3.1.4規定條件

環境和管基溫度；

直流偏置電流；

光學視窗；

光學結構。

7量值傳遞

發光強度是LED器件主要光參數，由於有些LED非點光源且各向異性，在近場條件下,LED光度測試過程中會産生很多誤差。

因此CIE推薦用LED平均強度的概念來作爲LED發光強度測量的基礎.目前最好的LED測試技術是將被測LED和在光譜和空間功率分佈與其盡可能接近一致的參照標準樣管進行比對測試.發光強度測試儀器和參照標準樣管的標定和校準必須採用統一的方法和基準。

8.1原理

發光強度的單位是坎德拉（candela，符號爲cd），它是國際單位制的七個基本單位之一。

1979年前世界上只有9個國家建立了光強基準，我國很早就建立了光度基準和2856K色溫的光強度工作基準。

因此，確定由國家或省（市）級法定計量測試部門標定的2856K光強標準燈作爲發光強度傳遞的工具。

8.2方法

a）用色溫爲2856K的光強標準燈對LED測試系統進行校準和標定。

b）用具有CIE標準光度觀測者光譜回應的光電探測器分別對專門挑選的LED器件和色溫爲2856K的光強標準燈進行比對測試，對不同光譜功率分佈的LED器件求得他們的光譜修正係數（SCF,Spectralcorrectionfactor）,從而把標準燈光強數值傳遞到LED器件上，以此作爲LED光強參照標準樣管.但是作爲參照標準樣管的LED器件必須有嚴格的要求。

它們主要是：

--優良的穩定性，必須進行嚴格的篩選和老化,必須規定最少老化時間；

--採用光軸和機械軸重合的LED器件作參照樣管.或採用光強（輻射）分佈圖形近似爲圓形的器件。

--參照標準樣管工作時,必須使其在恒定的溫度和驅動電流（20mA）下工作,保證其有一個恒定的光學輸出.

c）建立專門實驗室進行仲裁性測試和各種參照標準樣管的定標。

附錄1.基本輻射度量和光度量

1.輻射度量

1.1輻射能Qeradiantenergy

以輻射的形式發射,傳輸和接收的能量,單位爲J（焦耳）。

1.2輻射通量Φeradiantflux

輻射通量又常稱爲輻射功率