LED光電性能測試的主要方面

一、引言

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、儀表顯示、手機(jī)背光源、車載光源等場合，尤其是白光LED技術(shù)的發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。但是過去對于LED的測試沒有較全面的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中只能以相對參數(shù)為依據(jù)，不同的廠家、用戶、研究機(jī)構(gòu)對此爭議很大，導(dǎo)致國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重影響。因此，半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。

二、LED測試方法

基于LED各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求，LED的測試需要包含多方面的內(nèi)容，包括：電特性、光特性、開關(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)動下才能正常工作。通過LED電特性的測試可以獲得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)行測試。

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

圖2 積分球法測LED光通量
此外，由于積分球法測試光通量時(shí)光源對光的自吸收會對測試結(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
在測得光通量之后，配合電參數(shù)測試儀可以測得LED的發(fā)光效率。而輻射通量和輻射效率的測試方法類似于光通量和發(fā)光效率的測試。

（2）光強(qiáng)和光強(qiáng)分布特性

圖4 LED光強(qiáng)測試中的問題

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器接收得到的測試結(jié)果都不會改變，但是LED由于其光強(qiáng)分布的不一致使得測試結(jié)果隨測試距離和探測器孔徑變化。因此，CIE-127提出了兩種推薦測試條件使得各個(gè)LED在同一條件下進(jìn)行光強(qiáng)測試與評價(jià)，目前CIE-127條件已經(jīng)被各LED制造商和檢測機(jī)構(gòu)引用。

圖5 CIE-127推薦LED光強(qiáng)測試條件

（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、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)。
光譜功率分布的測試需要通過分光進(jìn)行，將各色光從混合的光中區(qū)分出來進(jìn)行測定，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、開關(guān)特性
LED開關(guān)特性是指LED通電和斷電瞬間的光、電、色變化特性。通過LED開關(guān)特性的測試可以獲得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LED的損耗，也可用以指導(dǎo)LED驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)等。

4、顏色特性 ON q=bI*
LED的顏色特性主要包括色品坐標(biāo)、主波長、色純度、色溫及顯色性等，LED的顏色特性對白光LED尤為重要。 現(xiàn)有的顏色特性測試方法有分光光度法和積分法。如圖7所示：分光光度法是通過單色儀分光測得LED光譜功率分布，之后利用色度加權(quán)函數(shù)積分獲得對應(yīng)色度參數(shù)；積分法是利用特定濾色片配合光電探測器直接測得色度參數(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LED結(jié)溫的測試一般有兩種方法：一種是采用紅外測溫顯微鏡或微型熱偶測得LED芯片表面的溫度并視其為LED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LED的靜電敏感度特性進(jìn)行測試，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、器件充電模式來模擬現(xiàn)實(shí)生活中的靜電放電現(xiàn)象。
為了觀察LED在長期連續(xù)使用情況下光性能的變化規(guī)律，需要對LED進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，通過長期觀察和統(tǒng)計(jì)獲得LED壽命參數(shù)。

對于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)、振動和沖擊試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、離心加速度試驗(yàn)等。

三、國家標(biāo)準(zhǔn)的制定

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

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

四、結(jié)論

國家標(biāo)準(zhǔn)的制定總結(jié)了現(xiàn)有LED的測試方法，將其中的科學(xué)適用的方法升級為標(biāo)準(zhǔn)測試方法，很好地消除了各界在LED測試領(lǐng)域存在的分歧，也使測試結(jié)果更加真實(shí)地反映我國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試技術(shù)引入標(biāo)準(zhǔn)之中。