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計量論壇

標題: 半導體發光二極管測試方法 [打印本頁]

作者: sunhz 時間: 2007-5-21 11:08
標題: 半導體發光二極管測試方法
半導體發光二極管測試方法

摘要
系統地介紹了與發光二極管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
半導體發光二極管是一種重要的光電子器件,它在科學研究和工農業生產中均有非常廣泛的應用.發光二極管雖小,但要準確測量它的各項光和輻射參數并非一件易事.目前在世界范圍內的測試比對還有較大的差異.鑒于此,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"發光二極管測試方法",2002年起在行業內部試行.本文敘述了與發光二極管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,以期收到拋磚引玉之效果.
本文涉及的測試方法適用于紫外/可見光/紅外發光二極管及其組件,其芯片測試可以參照進行。
2 術語和定義
2.1發光二極管 LED
除半導體激光器外，當電流激勵時能發射光學輻射的半導體二極管。嚴格地講，術語LED應該僅應用于發射可見光的二極管；發射近紅外輻射的二極管叫紅外發光二極管（IRED,Infrared Emitting Diode）；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管稱為紫外發光二極管；但是習慣上把上述三種半導體二極管統稱為發光二極管。
2.2光軸 Optical axis
最大發光（或輻射）強度方向中心線。
2.3正向電壓VF Forward voltage
通過發光二極管的正向電流為確定值時，在兩極間產生的電壓降。
2.4反向電流IR Reverse current
加在發光二極管兩端的反向電壓為確定值時，流過發光二極管的電流。
2.5反向電壓VR Reverse voltage
被測LED器件通過的反向電流為確定值時，在兩極間所產生的電壓降。
2.6總電容C Capacitance
在規定正向偏壓和規定頻率下，發光二極管兩端的電容。
2.7開關時間 Switching time
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開啟延遲時間td(on) Turn-on delay time
輸入脈沖前沿最低規定值到輸出脈沖前沿最低規定值之間的時間間隔。
2.7.2上升時間tr Rise time
輸出脈沖前沿最低規定值到最高規定值之間的時間間隔。
2.7.3開啟時間ton Turn-on time
器件所加輸入脈沖前沿的最低規定值到輸出脈沖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-off delay time
器件所加輸入脈沖后沿的最高規定值到輸出脈沖后沿最高規定值之間的時間間隔。
2.7.5下降時間tf Fall time
輸出脈沖后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toff Turn-off time
器件所加輸入脈沖后沿的最低規定值到輸出脈沖后沿最低規定值之間的時間間隔。


toff =td(off)+tf


2.8光通量Φv Luminous flux
通過發光二極管的正向電流為規定值時，器件光學窗口發射的光通量。
2.9輻射功率Φe Radiant power
通過發光二極管的正向電流為規定值時，器件光學窗口發射的輻射功率。
2.10輻射功率效率ηe Radiant power efficiency
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：在與其它術語不會混淆時，可簡稱為輻射效率 (Radiant efficiency)。
2.11光通量效率ηv Luminous flux efficiency
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：在與其它術語不會混淆時，可簡稱為發光效率（Luminous efficiency）。
2.12發光（或輻射）空間分布圖及相關特性
2.12.1發光（或輻射）強度Iv Luminous（or Radiant） intensity
光源在單位立體角內發射的光（或輻射）通量，可表示為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 。這里I是輻射源的強度，d是輻射源中心到探測器中心的距離。把這種情況稱為遠場條件。
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）照度取決于正確的測量條件。
2.12.2平均LED強度 Averaged LED intensity
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ILED A和ILED B來表示,用符號ILED Ae和ILED Av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）強度空間分布圖 Luminous（or Radiant）diagram
反映器件的發光（或輻射）強度空間分布特性（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）強度分布應該規定在包括機械軸Z的平面內。
注2：如果發光（或輻射）強度分布圖形有以Z軸為旋轉對稱特性，發光（或輻射）強度空間分布圖僅規定一個平面。
注3：如果沒有以Z軸為旋轉對稱特性，各種角度θ的發光（或輻射）強度分布應有要求，X、Y、Z方向要求可有詳細規范定義。
2.12.4半強度角θ1/2 Half-intensity angle
在發光（或輻射）強度分布圖形中，發光（或輻射）強度大于最大強度一半構成的角度（見圖2）。
2.12.5偏差角Δθ Misalignment angle
在發光（或輻射）強度分布圖形中，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λp Peak-emission wavelength
光譜輻射功率最大的波長。
2.13.2光譜輻射帶寬Δλ Spectral radiation bandwith
光譜輻射功率大于等于最大值一半的波長間隔。
2.13.3光譜功率（能量）分布P(λ) Spectral power distribution
在光輻射波長范圍內，各個波長的輻射功率分布情況。
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：不可用于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系數。
3.5 在適當地方，在規定脈沖條件下，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，器件測試應采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于下述公差，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）輸入脈沖特性，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于±2％；
e）測量輻射功率的誤差不大于5％；
f）測量峰值輻射波長的誤差不大于±2nm；
g）測量半強度角誤差不大于10％；
h）測量發光強度誤差不大于25％。
 

作者: sunhz 時間: 2007-5-21 11:10
半導體發光器件測試方法
6 測試方法
測試方法分為：
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布
c） 3000類光電特性測試方法
--方法3001 開關時間
6.1 1000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，兩電極間產生的電壓降。
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--電流表；
V--電壓表。

6.1.1.3 測試步驟
a）按圖3原理連接測試系統，并使儀器預熱；
b）調節恒流源，使電流表讀數為規定值，這時在直流電壓表上的讀數即為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器件的反向電流為規定值時，在兩電極之間產生的反向電壓。
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--電流表；
V--電壓表。

6.1.2.3 測試步驟
a）按圖4原理連接測試系統，并使儀器預熱。
b）調節穩壓電源，使電流表讀數為規定值，這時在直流電壓表上的讀數即為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產生的反向電流。
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--電流表；
V--電壓表。



作者: sunhz 時間: 2007-5-21 11:11
6.1.3.3 測試步驟
a）按圖5原理連接測試系統，并使儀器預熱。
b）調節穩壓電源，使電壓表讀數為規定值，這時在直流電流表上的讀數即為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--電流表；
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，并使儀器預熱；
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等效值即為被測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。
6.2 2000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管平均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--包括面積為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范圍內應該校準到CIE（國際照明委員會）標準光度觀測者光譜曲線;測試輻射參數時應采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為100mm2(相應直徑為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(全角)
標準條件A       316mm       0.001sr       2o
標準條件B       100mm       0.01sr       6.5o
注3：對于脈沖測量，電流源應該提供所要求的幅度，寬度和重復率的電流脈沖。探測器上升時間相對于脈沖寬度應該足夠小，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管在規定的工作電流下的平均LED強度的空間分布和半最大強度角及偏差角。半強度角 θ1/2是發光（或輻射）強度大于等于最大強度一半構成的角度（見圖8），在平均LED強度分布圖形中，最大強度方向（光軸）與機械軸Z之間的夾角即為偏差角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：包括面積為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應該設置為CIE標準條件A或B；
注2：對于脈沖測量，電流源應該提供所要求的幅度、寬度和重復率的電流脈沖，探測器上升時間相對于脈沖寬度應該足夠小，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：旋轉中心位于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；
--能測量關于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，把這個值設置為 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之間的關系，優先采用極坐標圖來表示，其它形式，如直角坐標圖，在空白詳細規范中定義后可以使用。在該圖上分別讀取半最大強度點對應的角度θ1 θ2 ，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。


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