LED光電性能測(cè)試的幾種方法解析

1、前言

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(hào)燈、儀表顯示、手機(jī)背光源、車載光源等場(chǎng)合，白光ＬＥＤ技術(shù)也不斷地發(fā)展，ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。過去，對(duì)于ＬＥＤ的測(cè)試沒有較全面的國(guó)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(duì)參數(shù)為依據(jù)，不同的廠家、用戶、研究機(jī)構(gòu)對(duì)此爭(zhēng)議很大，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到很大影響。結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于ＬＥＤ測(cè)試方法的最新標(biāo)準(zhǔn)，基于ＬＥＤ各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求，筆者從電特性、光特性、開關(guān)特性、顏色特性、熱學(xué)特性、可靠性等方面進(jìn)行了介紹。

2、電特性測(cè)試方法

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，其電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。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（如圖1所示）。通過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。

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

3、光特性測(cè)試

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

3.1 光通量和光效

光通量的測(cè)試有兩種方法，即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?，F(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，另外一種是將其放在球壁。

由于采用積分球法測(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，往往需要引入輔助燈（見圖３）。

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)試方法類似于光通量和發(fā)光效率的測(cè)試。

3.2 光強(qiáng)和光強(qiáng)分布特性

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)果不會(huì)改變。但是，ＬＥＤ由于其光強(qiáng)分布不一致，使得測(cè)試結(jié)果隨測(cè)試距離和探測(cè)器孔徑而變化。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)如圖5所示。目前，ＣＩＥ－１２７推薦測(cè)試條件已經(jīng)被各ＬＥＤ制造商和檢測(cè)機(jī)構(gòu)引用。

3.3 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，白光LED光譜功率分布如圖6所示。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)試需要通過分光進(jìn)行，將各色光從混合的光中區(qū)分出來進(jìn)行測(cè)定，一般可以采用棱鏡和光柵實(shí)現(xiàn)分光。

4 ＬＥＤ開關(guān)特性測(cè)試

LED開關(guān)特性是指ＬＥＤ在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(cè)試可以獲得ＬＥＤ在通斷電瞬間的工作狀態(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。

5 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。分光光度法是通過單色儀分光測(cè)得ＬＥＤ光譜功率分布，然后利用色度加權(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)（見圖７）。分光光度法的準(zhǔn)確性要大大高于積分法。

6 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。

7 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，當(dāng)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、器件充電模式來模擬現(xiàn)實(shí)生活中的靜電放電現(xiàn)象。

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

對(duì)于ＬＥＤ環(huán)境特性的試驗(yàn)往往采用模擬ＬＥＤ在應(yīng)用中遇到的各類自然侵襲的方法，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。

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。

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。
來源；國(guó)際led網(wǎng)