LED光電特性的測(cè)試方案

一、引言

LED光電測(cè)試是檢驗(yàn)LED光電性能的重要而且唯一的手段，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果是評(píng)價(jià)和反映當(dāng)前我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的依據(jù)。制定LED光電測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一衡量LED產(chǎn)品光電性能的重要途徑，是使測(cè)試結(jié)果真實(shí)反映我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的前提。本文結(jié)合最新的LED測(cè)試方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，介紹了LED的光電性能測(cè)試的幾個(gè)主要方面。

二、LED測(cè)試方法

基于LED各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求，LED的測(cè)試需要包含多方面的內(nèi)容，包括：電特性、光特性、開(kāi)關(guān)特性、顏色特性、熱學(xué)特性、可靠性等。

1、電特性

LED是一個(gè)由半導(dǎo)體無(wú)機(jī)材料構(gòu)成的單極性PN結(jié)二極管，它是半導(dǎo)體PN結(jié)二極管中的一種，其電壓-電流之間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。由圖1可知，LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓，LED必須在合適的電流電壓驅(qū)動(dòng)下才能正常工作。通過(guò)LED電特性的測(cè)試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也可以測(cè)定LED的最佳工作電功率。

圖1：LED伏安特性曲線。

LED電特性的測(cè)試一般利用相應(yīng)的恒流恒壓源供電下利用電壓電流表進(jìn)行測(cè)試。

2、光特性

類(lèi)似于其它光源，LED光特性的測(cè)試主要包括光通量和發(fā)光效率、輻射通量和輻射效率、光強(qiáng)和光強(qiáng)分布特性和光譜參數(shù)等。

(1)光通量和光效

有兩種方法可以用于光通量的測(cè)試，積分球法和變角光度計(jì)法。變角光度計(jì)法是測(cè)試光通量的最精確的方法，但是由于其耗時(shí)較長(zhǎng)，所以一般采用積分球法測(cè)試光通量。如圖2所示，現(xiàn)有的積分球法測(cè)LED光通量中有兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)，一種是將被測(cè)LED放置在球心，另外一種是放在球壁。

圖2 ：積分球法測(cè)LED光通量。

此外，由于積分球法測(cè)試光通量時(shí)光源對(duì)光的自吸收會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，因此，往往引入輔助燈，如圖3所示。

圖3：輔助燈法消除自吸收影響。

在測(cè)得光通量之后，配合電參數(shù)測(cè)試儀可以測(cè)得LED的發(fā)光效率。而輻射通量和輻射效率的測(cè)試方法類(lèi)似于光通量和發(fā)光效率的測(cè)試。

(2)光強(qiáng)和光強(qiáng)分布特性

圖4：LED光強(qiáng)測(cè)試中的問(wèn)題。

如圖4所示，點(diǎn)光源光強(qiáng)在空間各方向均勻分布，在不同距離處用不同接收孔徑的探測(cè)器接收得到的測(cè)試結(jié)果都不會(huì)改變，但是LED由于其光強(qiáng)分布的不一致使得測(cè)試結(jié)果隨測(cè)試距離和探測(cè)器孔徑變化。因此，CIE-127提出了兩種推薦測(cè)試條件使得各個(gè)LED在同一條件下進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)試與評(píng)價(jià)，目前CIE-127條件已經(jīng)被各LED制造商和檢測(cè)機(jī)構(gòu)引用。

圖5：CIE-127推薦LED光強(qiáng)測(cè)試條件。

(3)光譜參數(shù)

LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長(zhǎng)、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長(zhǎng)和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。所有LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計(jì)算得到色度參數(shù)。

光譜功率分布的測(cè)試需要通過(guò)分光進(jìn)行，將各色光從混合的光中區(qū)分出來(lái)進(jìn)行測(cè)定，一般可以采用棱鏡和光柵實(shí)現(xiàn)分光。

圖6：白光LED光譜功率分布。

3、開(kāi)關(guān)特性

LED開(kāi)關(guān)特性是指LED通電和斷電瞬間的光、電、色變化特性。通過(guò)LED開(kāi)關(guān)特性的測(cè)試可以獲得LED在通斷電瞬間工作狀態(tài)、物質(zhì)屬性等的變化規(guī)律，由此不僅可了解通斷電對(duì)LED的損耗，也可用以指導(dǎo)LED驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)等。

4、顏色特性

LED的顏色特性主要包括色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)、色純度、色溫及顯色性等，LED的顏色特性對(duì)白光LED尤為重要。現(xiàn)有的顏色特性測(cè)試方法有分光光度法和積分法。如圖7所示：分光光度法是通過(guò)單色儀分光測(cè)得LED光譜功率分布，之后利用色度加權(quán)函數(shù)積分獲得對(duì)應(yīng)色度參數(shù);積分法是利用特定濾色片配合光電探測(cè)器直接測(cè)得色度參數(shù);分光光度法的準(zhǔn)確性要大大高于積分法。

圖7：LED顏色特性測(cè)試方法。

5、熱學(xué)特性

LED的熱學(xué)特性主要指熱阻和結(jié)溫。熱阻是指沿?zé)崃魍ǖ郎系臏囟炔钆c通道上耗散的功率之比。結(jié)溫是指LED的PN結(jié)溫度。LED的熱阻和結(jié)溫是影響LED光電性能的重要因素。

現(xiàn)有的對(duì)LED結(jié)溫的測(cè)試一般有兩種方法：一種是采用紅外測(cè)溫顯微鏡或微型熱偶測(cè)得LED芯片表面的溫度并視其為L(zhǎng)ED的結(jié)溫，但是準(zhǔn)確度不夠;另外一種是利用確定電流下的正向偏壓與結(jié)溫之間反比變化的關(guān)系來(lái)判定LED的結(jié)溫。

6、可靠性

LED的可靠性包括靜電敏感度特性、壽命、環(huán)境特性等。

靜電敏感度特性是指LED能承受的靜電放電電壓。某些LED由于電阻率較高，且正負(fù)電極距離很短，若兩端的靜電電荷累積到一定值時(shí)，這一靜電電壓會(huì)擊穿PN結(jié)，嚴(yán)重時(shí)可將PN結(jié)擊穿導(dǎo)致LED失效，因此必須對(duì)LED的靜電敏感度特性進(jìn)行測(cè)試，獲得LED的靜電放電故障臨界電壓。目前一般采用人體模式、機(jī)器模式、器件充電模式來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)生活中的靜電放電現(xiàn)象。

為了觀察LED在長(zhǎng)期連續(xù)使用情況下光性能的變化規(guī)律，需要對(duì)LED進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，通過(guò)長(zhǎng)期觀察和統(tǒng)計(jì)獲得LED壽命參數(shù)。

對(duì)于LED環(huán)境特性的試驗(yàn)往往采用模擬LED在應(yīng)用中遇到的各類(lèi)自然侵襲，一般有：高低溫沖擊試驗(yàn)、濕度循環(huán)試驗(yàn)、潮濕試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、沙塵試驗(yàn)、輻照試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、離心加速度試驗(yàn)等。

三、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定

總結(jié)以上測(cè)試方法，半導(dǎo)體發(fā)光二極管測(cè)試方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LED電特性、光學(xué)特性、熱學(xué)特性、靜電特性及壽命測(cè)試都作了相應(yīng)的規(guī)定。

對(duì)于電特性測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了LED正向電壓、反向電壓、反向電流的測(cè)試框圖;對(duì)于光通量測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用2π立體角測(cè)試結(jié)構(gòu);對(duì)于光強(qiáng)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)引用了CIE-127的推薦條件;此外，對(duì)光譜測(cè)試、熱學(xué)特性測(cè)試、靜電放電敏感度測(cè)試、壽命測(cè)試等都作了明確的規(guī)定。

四、結(jié)論

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定總結(jié)了現(xiàn)有LED的測(cè)試方法，將其中的科學(xué)適用的方法升級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，很好地消除了各界在LED測(cè)試領(lǐng)域存在的分歧，也使測(cè)試結(jié)果更加真實(shí)地反映我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的整體水平。但是鑒于LED技術(shù)還在處于不斷地發(fā)展之中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定并不是一勞永逸的，應(yīng)當(dāng)時(shí)刻將最新最合適的測(cè)試技術(shù)引入標(biāo)準(zhǔn)之中。