半導(dǎo)體照明課件-第13章-發(fā)光二極管的測試

1、第13 章LED的測試作為照明用的LED，要測試的有電學(xué)參數(shù)、光度學(xué)參數(shù)、色度學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)、靜電耐受性等。信息科學(xué)與工程學(xué)院2008屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文問題: A器件的光通量輸出為80 lm, B器件的光通量輸出是110 lm，這是否說明B器件的性能就比A器件高呢？ 如果A器件的輸入功率是1W，而B器件的輸入功率是2W呢？發(fā)光器件的效率有幾種： 發(fā)光效率、功率效率、量子效率等13.1 發(fā)光器件的效率一、發(fā)光效率發(fā)光效率是指單位電功率（W）下輸出的光通量（lm）: 式中，I、V分別為器件的直流偏置電流和電壓; Pe為輸入的電功率;F為此偏置條件下器件輸出的總光通量。13.1 發(fā)光器件的效率二、功率

2、效率功率效率p是器件將輸入功率Pe(W)轉(zhuǎn)變成輻射功率P (W)的效率。式中, F 和1 分別為器件的總光通量和照明效率;I、V分別是偏置電流與電壓。13.1 發(fā)光器件的效率 發(fā)光二極管的發(fā)光是由正向偏置P-N結(jié)注入的載流子復(fù)合而產(chǎn)生。但注入載流子的復(fù)合并不全是輻射復(fù)合，有部分將參與非輻射復(fù)合，如多聲子過程、表面復(fù)合、俄竭復(fù)合等。而且載流子輻射復(fù)合產(chǎn)生的光也不全部能射出管外。因此，用單位時間內(nèi)輸出光子數(shù)和注入的載流子數(shù)之比來表示發(fā)光二極管的效率，稱之為“外量子效率”。 外量子效率：P-N結(jié)注入載流子的效率有關(guān)，而且還與輻射發(fā)光及光子逸出器件外部的效率有關(guān)。式子中 、 、 分別為注入效率、內(nèi)量子

3、效率和光出射效率。13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率(1) 外量子效率e 從有源區(qū)產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體有部分可以被再吸收；還可能由于發(fā)生全反射而返回晶體內(nèi)部，即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而產(chǎn)生高反射率，有相當(dāng)部分被返回晶體內(nèi)部。外量子效率為13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率(1) 外量子效率e設(shè)ne和nq。分別為單位時間內(nèi)注入的電子-空穴對數(shù)和器件發(fā)出的光子數(shù)，則外量子效率可以表示成：如器件輸出的輻射功率P=nqhv，注入電子功率Pe=IV=neqV，則外量子效率可以表示成已知器件峰值波長 ，輻射功率P，偏置電壓V 情況下可以求出器件的外量子效

4、率。13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率 內(nèi)量子效率是指每注入一個電子在p-n結(jié)中所產(chǎn)生的光子數(shù)。(2) 內(nèi)量子效率i直接躍遷過程的內(nèi)量子效率主要取決于非輻射復(fù)合與輻射復(fù)合的壽命。13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率(1) 內(nèi)量子效率i 電子-空穴對的產(chǎn)生率等于非平衡載流子的復(fù)合率(包括輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合)，而復(fù)合率又分別決定于壽命r(輻射復(fù)合壽命)和nr(無輻射復(fù)合壽命)，輻射復(fù)合率正比于1/r ，無輻射復(fù)合率正比于1/r ,則i為提高材料的純度、減少晶體的缺陷，以降低非輻射復(fù)合中心，提高內(nèi)量子效率i。13.1 發(fā)光器件的效率三、量子效率(3) 光出射效率u 光出射效率指P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)

5、生的光子射出發(fā)光管外部的百分比。 輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子通過晶體傳輸?shù)酵獠窟^程中的損耗主要是晶體的吸收和晶體界面的反射，因此，為了提高逸出效率，必須減小吸收損耗和增加界面的透射率。13.2 電學(xué)參數(shù)伏安特性 流過PN結(jié)的電流隨電壓（正反向電壓）變化的特性。13.2 電學(xué)參數(shù) 對于LED器件，一般常用的電學(xué)參數(shù)主要有：反向擊穿電壓、反向漏電流、正向電壓、正向電流和等。伏安特性（1）反向擊穿電壓 當(dāng)反向偏壓一直增加使V大于VB時，則反向電流突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用半導(dǎo)體化合物材料種類不同，各種LED的反向擊穿電壓也不同。 伏安特性13.2 電學(xué)參數(shù)（1）反向擊穿電壓 VB表示器件反向耐壓高低的

6、參數(shù)，通常是指一定漏電流下器件兩端的反向電壓值。 漏電流的標(biāo)準(zhǔn)可取10A, 合格器件的VB通常大于5V,一般在10-25V之間。伏安特性 IR 指在給定反向電壓下流過器件的反向電流。按LED的規(guī)定，習(xí)慣指反向電壓在5V是的反向漏電流。伏安特性（2）反向漏電流13.2 電學(xué)參數(shù) VF標(biāo)志著結(jié)的體電阻及歐姆接觸串聯(lián)電阻的高低，它可在一定程度上反應(yīng)電極制作的好壞。其值視LED器件所用的半導(dǎo)體材料的不同而不同，一般在1.4V至4V之間。伏安特性(3) 正向電壓VF 在指定正向電流下器件兩端的正向電壓值。所取的正向電流一般均較大，通常處于器件工作的大信號區(qū)，如10-30mA。伏安特性(4) 正向電流F指

7、驅(qū)動發(fā)光二極管正常工作的額定正向激勵電流。根據(jù)實(shí)際情況，LED具有最大正向電流IFm，實(shí)際電流IF 0.6 IFm ，與亮度成比例關(guān)系。伏安特性(4) 正向電流有時為了反映正向電流上升的快慢，可以測量一電壓增量VF下的電流增量IF ，用VF/IF來表示上升的梯度。正反向電性的測量正向電性能：采用恒流源供電，根據(jù)設(shè)定的電流自動調(diào)節(jié)輸出正向工作電流，并測出LED兩端的正向電壓和流過LED的正向電流。13.2 電學(xué)參數(shù)正反向電性的測量13.2 電學(xué)參數(shù)反向電性能：采用恒壓源供電，增加恒壓源電壓，監(jiān)測流過LED的電流,當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定的反向漏電流值時，此時的電壓即為反向擊穿電壓; 根據(jù)設(shè)定的反向電壓調(diào)節(jié)

8、恒壓源，測出流過LED的反向漏電流。1、正向電壓VF一般： 紅、黃、黃綠=VF值在1.8-2.5V 藍(lán)、綠、紫=VF值在2.7-4.0V。 正反向電性的測量IF 值通常被設(shè)為一個測試條件和常亮?xí)r的標(biāo)準(zhǔn)電流；設(shè)定不同的值用以測試二極管的各項(xiàng)性能參數(shù)。IF 特性： 以正常的壽命討論， 通常標(biāo)準(zhǔn) IF值設(shè)為 20 30mA ； 正反向電性的測量2、正向電流 IF IF增大時 LAMP 的顏色、亮度、 VF 特性及工作溫度均會受到影響，它是正常工作時的一個先決條件；IF值增大：壽命縮短、 VF值增大、波長偏低、溫度上升、亮度增大。正反向電性的測量2、正向電流 IFVR 特性： VR 是衡量 P/N 結(jié)

9、反向耐壓特性，VR 赿高赿好； 如果VR 值較低，在電路中使用時,反向脈沖電流容易擊穿變壞； VR又通常被設(shè)定一定的安全值來測試反向電流值，一般設(shè)為 5V ； 、紅、黃、黃綠等四元晶片反向電壓可做到 20 40V ，藍(lán)、純綠、紫色等晶片反向電壓只能做到 5V 以上。 正反向電性的測量3. 反向擊穿電壓LED加上反向電壓時, 用較精密的電流表測量時，還是有很小的電流，只不過它不會影響電源或電路所以經(jīng)常忽略不記，認(rèn)為是 0 。 IR 特性： IR 是反映二極管的反向特性， IR 值太大說明 P/N 結(jié)特性不好，快被擊穿； IR 值太小或?yàn)?0 說明二極管的反向很好； 通常 IR值較大時 VR 值相

10、對會小， VR 值較小時 IR 值相對會大； 正反向電性的測量4. 反向電流 I RLED電流電壓關(guān)系不同顏色的LED電壓電流特性不同LED電流與亮度關(guān)系LED在可使用的電流范圍內(nèi)發(fā)光亮度隨著電流的增加而增強(qiáng)。低電流使用時電壓線性變化不明顯應(yīng)用范圍：車用儀表板指示燈、開關(guān)燈、音響指示燈低電流使用LED 光通量（）發(fā)光強(qiáng)度（I）亮度（L）照度（E）發(fā)光效率（）主波長（d）峰值波長（p）色純度（Purity)紅色比（Red ratio）色溫（Tc）顯色指數(shù)（Ra）等。13.3 光度學(xué)參數(shù) 光強(qiáng)度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，也就是光源所發(fā)出的光通量在空間選定方向上分布的密度。光強(qiáng)的單位是坎特拉

11、cd，也稱燭光。如：1單位立體角度內(nèi)發(fā)出1流明的光稱為1坎特拉(1cd）。如果在d立體角范圍內(nèi)傳遞的光通量為d，那么光強(qiáng)度、光照度和光亮度的區(qū)別？發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉Candle,記作Cd。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的光源,可放射出l2.57, 即4 lm光通量。 光強(qiáng)度、光照度和光亮度的區(qū)別？光照度：表面上一點(diǎn)的光照度是入射在包含該點(diǎn)的面元上的光通量d除以該面元的面積dA。光照度的公制單位是lx（lm/m）。投射在受照面上的 ds 面元上總的光通量 d 與該面元的比值光強(qiáng)度、光照度和光亮度的區(qū)別？光照度的單位是lux。稱為勒克斯，記作lx。勒克斯=流明/平方米一般而言：桌面、工作面的照度不應(yīng)少于15

12、0 lx。起居室的照明采用光線柔合的照明燈具較理想，其平均照度應(yīng)達(dá)到l00 lx左右。閱讀和書寫用的燈具功率可大些，照度應(yīng)達(dá)到200 lx。 光強(qiáng)度、光照度和光亮度的區(qū)別？光亮度：在給定方向上，每單位面積上的光強(qiáng)度;單位為cd/m。i為發(fā)光元面積ds的法線N和元立體角d的方向的夾角 實(shí)驗(yàn)表明：光通量di與元立體角d及元面光源ds在該方向垂直平面上的投影dscos i成正比,即 L為光亮度。光強(qiáng)度、光照度和光亮度的區(qū)別？發(fā)光效率單位:lm/w 符號: 定義:LED發(fā)光效率表征器件電光轉(zhuǎn)換的能力，一般用流明效率表示，即：Total Optical Power (W)主波長 如圖所示的色坐標(biāo)，圖中A

13、B為黑體軌跡。設(shè)F點(diǎn)為某一光源在色品圖中的坐標(biāo)，E點(diǎn)為理想等能白光的參考光源點(diǎn)，坐標(biāo)為(x,y)=(0.33,0.33)。由E點(diǎn)連接F點(diǎn)并延長交于G點(diǎn)，則G點(diǎn)對應(yīng)的單色光波長即稱為F點(diǎn)光源的主波長。峰值波長 光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處所對應(yīng)的波長。它是一個純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對稱的單色光的檢測。主波長D ：主波長是人眼能觀察到的，由LED發(fā)出的主要單色光的波長。若已獲得被測光的色度坐標(biāo)，那么CIE1931色度圖上由E光源的色坐標(biāo)點(diǎn)向該測光源的色坐標(biāo)點(diǎn)引一直線，延長直線與光譜軌跡相交的波長值即稱之為該被測光源的主波長。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有1個。主波長與峰值波

14、長有什么區(qū)別？峰值波長p ：光譜輻射功率最大的波長。一般芯片廠家提供的是主波長。 紅色比（R） 紅色比一般用來表征白光LED的色彩效果，是指LED紅光成分（ ）占整個可見光光譜（ ）的量。即： 式中 為光譜功率分布函數(shù)， 為視見函數(shù)。a.顯色性：人眼在不同光源的照明下看到物體色會改變，感到物體顏色失真，這種影響物體顏色的特性稱為光源的顯色性。顯色性好的光源照明下，則物體顏色失真小。光源的顯色性由CRI表示，它表征了物體在光下顏色比基準(zhǔn)色（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特征。b.顯色指數(shù)：在相應(yīng)的色溫情況下確立表征在特定條件下經(jīng)某光源照射的物體所產(chǎn)生心理感官顏色與物體在標(biāo)準(zhǔn)光源

15、照射下的心理感官相符合的程度的參數(shù)。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數(shù)定為100，并規(guī)定了14種測試用的標(biāo)準(zhǔn)用品，各類光源的顯色指數(shù)各不相同。c.相關(guān)色溫：光源發(fā)射光與黑體在某一溫度下輻射的光顏色最接近，則黑體的溫度就稱為該光源發(fā)射的相關(guān)色溫，單位為K。 顯色指數(shù)越高，其顯色性越好；色溫越高，偏藍(lán)色，人的感覺越清爽；低色溫光源照射，偏紅色給人一種鮮艷溫暖感.顯色性、顯色指數(shù)和相關(guān)色溫各指什么，有什么聯(lián)系？LED光參量符號單位簡單定義光通量Luminous flux(毫)流明(mlm) lm光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量。發(fā)光效率Luminous flux efficiency流明每瓦lm/W也叫

16、光通量效率。LED發(fā)射的光通量與其電功率的比值。主波長Dominant wavelength納米nm主波長是人眼能觀察到的，由LED發(fā)出的主要單色光的波長。峰值波長Peak wavelength納米nm光譜輻射功率最大的波長。光照度illuminance勒克斯lx單位投射面積內(nèi)的光通量。光強(qiáng)度Luminous Intensity(毫)坎德拉(mcd) cd單位立體角內(nèi)的光通量。光亮度Luminance坎德拉每平方米cd/m 單位投射面積在單位立體角內(nèi)的光通量。色坐標(biāo)Color Coordinates根據(jù)光譜功率分布 曲線，用分光光度法求和來近似積分。發(fā)光角度 半強(qiáng)角度指的是LED光源中心法線向

17、四周張開，中心光強(qiáng)I衰減50%之間的夾角，即為半強(qiáng)角度，如圖所示。 光強(qiáng)與發(fā)光角度的測量光源的半強(qiáng)度角：. LED 發(fā)光視角 半值角1/2和視角：1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。10.0 cm測量條件A(近場條件)圓孔光闌面積1 cm2機(jī)械軸31.6 cm測量條件B（遠(yuǎn)場條件）圓孔光闌面積1 cm2機(jī)械軸新標(biāo)準(zhǔn)下的測量方法LED光強(qiáng)依賴于測量距離LED光強(qiáng)依賴于測量立體角LED光強(qiáng)還依賴于光軸與機(jī)械軸之間的偏差13.6 熱學(xué)參數(shù)（結(jié)溫、熱阻） LED 結(jié)溫的變化會影響其光通量、顏色和正向電壓等的變化，還會影響器件的效率和壽命； 而熱阻的大小對功率LED的發(fā)光效率和壽命尤甚。 一般工作在小電流IF10mA，或者1020 mA長時間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或p 就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為：p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源