半导体照明课件-第13章-发光二极管的测试.ppt

1、第第13 章章LED的测试的测试作为照明用的作为照明用的LED，要测试的有电学参数、光度，要测试的有电学参数、光度学参数、色度学参数、热学参数、静电耐受性等。学参数、色度学参数、热学参数、静电耐受性等。信息科学与工程学院2008届毕业设计论文问题问题: A器件的光通量输出为器件的光通量输出为80 lm, B器件的光通量输出是器件的光通量输出是110 lm，这是否说明，这是否说明B器件的性能就比器件的性能就比A器件高呢？器件高呢？ 如果如果A器件的输入功率是器件的输入功率是1W，而，而B器件的输入功率是器件的输入功率是2W呢？呢？发光器件的效率有几种：发光器件的效率有几种： 发光效率、功率效率、

2、量子效率等发光效率、功率效率、量子效率等发光器件的效率发光器件的效率一、发光效率一、发光效率发光效率是指单位电功率（发光效率是指单位电功率（W）下输出的光通量（）下输出的光通量（lm）: 式中，式中，I、V分别为器件的直流偏置电流和电压分别为器件的直流偏置电流和电压; Pe为输入的电功率为输入的电功率;F为此偏置条件下器件输出的总光为此偏置条件下器件输出的总光通量。通量。发光器件的效率发光器件的效率二、功率效率二、功率效率功率效率功率效率p是器件将输入功率是器件将输入功率Pe(W)转变成辐射功率转变成辐射功率P (W)的效率。的效率。式中式中, F 和和1 1 分别为器件的总光通量和照明效率分

3、别为器件的总光通量和照明效率;I、V分别是偏置电流与电压。分别是偏置电流与电压。发光器件的效率发光器件的效率P1100%ePFPIV 发光二极管的发光是由正向偏置发光二极管的发光是由正向偏置P-N结注入的载流子复合结注入的载流子复合而产生。但注入载流子的复合并不全是而产生。但注入载流子的复合并不全是辐射复合辐射复合，有部分将参，有部分将参与非辐射复合，如多声子过程、表面复合、俄竭复合等。与非辐射复合，如多声子过程、表面复合、俄竭复合等。而且而且载流子辐射复合产生的光也不全部能射出管外载流子辐射复合产生的光也不全部能射出管外。因此，用单位。因此，用单位时间内输出光子数和注入的载流子数之比来表示发

4、光二极管的时间内输出光子数和注入的载流子数之比来表示发光二极管的效率，称之为效率，称之为“外量子效率外量子效率”。 外量子效率：外量子效率：P-N结注入载流子的效率有关，而且还与辐射结注入载流子的效率有关，而且还与辐射发光及光子逸出器件外部的效率有关发光及光子逸出器件外部的效率有关。ejiu 式子中式子中 、 、 分别为注入效率、内量子效率和光出射效率。分别为注入效率、内量子效率和光出射效率。jiu发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、量子效率发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、量子效率(1) 外量子效率外量子效率e 从有源区产生的光子通过半导体有部分可以被再吸从有源区产生的光子

5、通过半导体有部分可以被再吸收；还可能由于发生全反射而返回晶体内部，即使是垂收；还可能由于发生全反射而返回晶体内部，即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而产生高反射率，有直射到界面的光子，由于高折射率而产生高反射率，有相当部分被返回晶体内部。外量子效率为相当部分被返回晶体内部。外量子效率为发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、量子效率(1) 外量子效率外量子效率e设设ne和和nq。分别为单位时间内注入的电子。分别为单位时间内注入的电子-空穴对数空穴对数和器件发出的光子数，则外量子效率可以表示成：和器件发出的光子数，则外量子效率可以表示成：如器件输出的辐射功率如器件输出的辐射功率P=nqh

6、v，注入电子功率，注入电子功率Pe=IV=neqV，则外量子效率可以表示成，则外量子效率可以表示成已知器件峰值波长已知器件峰值波长 ，辐射功率，辐射功率P，偏置电压，偏置电压V 情况下可以求出器件的外量子效率。情况下可以求出器件的外量子效率。发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、量子效率 内量子效率是指每注入一个电子在内量子效率是指每注入一个电子在p-n结中结中所产生的光子数。所产生的光子数。(2) 内量子效率内量子效率i直接跃迁过程的内量子效率主要取决于非辐射复合直接跃迁过程的内量子效率主要取决于非辐射复合与辐射复合的寿命。与辐射复合的寿命。发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、

7、量子效率(1) 内量子效率内量子效率i 电子电子-空穴对的产生率等于非平衡载流子的复合率空穴对的产生率等于非平衡载流子的复合率(包包括辐射复合和无辐射复合括辐射复合和无辐射复合)，而复合率又分别决定于寿，而复合率又分别决定于寿命命r(辐射复合寿命辐射复合寿命)和和nr(无辐射复合寿命无辐射复合寿命)，辐射复合，辐射复合率正比于率正比于1/r ，无辐射复合率正比于，无辐射复合率正比于1/r ,则则i为为提高材料的纯度、减少晶体的缺陷，以降低非辐射复合中提高材料的纯度、减少晶体的缺陷，以降低非辐射复合中心，提高内量子效率心，提高内量子效率i。发光器件的效率发光器件的效率三、量子效率三、量子效率(3

8、) 光出射效率光出射效率u 光出射效率指光出射效率指P-N结辐射复合产生的光子射出结辐射复合产生的光子射出发光管外部的百分比。发光管外部的百分比。 辐射复合产生的光子通过晶体传输到外部过程辐射复合产生的光子通过晶体传输到外部过程中的损耗主要是中的损耗主要是晶体的吸收晶体的吸收和和晶体界面的反射晶体界面的反射，因，因此，为了提高逸出效率，必须减小吸收损耗和增加此，为了提高逸出效率，必须减小吸收损耗和增加界面的透射率。界面的透射率。电学参数电学参数伏安特性伏安特性 流过流过PN结的电流随电压（正反向电压）变结的电流随电压（正反向电压）变化的特性。化的特性。电学参数电学参数 对于对于LED器件，一般

9、常用的电学参数主要有：器件，一般常用的电学参数主要有：反向击穿电压反向击穿电压、反向漏电流反向漏电流、正向电压、正向电正向电压、正向电流流和等。和等。伏安特性伏安特性（1）反向击穿电压反向击穿电压 当反向偏压一直增加使当反向偏压一直增加使V大于大于VB时时，则反向电流突然增加而出现击穿现象。由于所用半，则反向电流突然增加而出现击穿现象。由于所用半导体化合物材料种类不同，各种导体化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压的反向击穿电压也不同。也不同。 伏安特性伏安特性电学参数电学参数（1）反向击穿电压）反向击穿电压 VB表示器件反向耐压高低的参数，通常是指一定表示器件反向耐压高低的参数，通常是

10、指一定漏电流下器件两端的反向电压值。漏电流下器件两端的反向电压值。 漏电流的标准可取漏电流的标准可取10A, 合格器件的合格器件的VB通常大于通常大于5V,一般在一般在10-25V之间。之间。伏安特性伏安特性 IR 指在给定反向电压下流过器件的反向电流。按指在给定反向电压下流过器件的反向电流。按LED的规定，习惯指反向电压在的规定，习惯指反向电压在5V是的反向漏电流是的反向漏电流。伏安特性伏安特性（2）反向漏电流）反向漏电流电学参数电学参数 VF标志着结的体电阻及欧姆接触串联电阻的高低，它标志着结的体电阻及欧姆接触串联电阻的高低，它可在一定程度上反应电极制作的好坏。其值视可在一定程度上反应电极

11、制作的好坏。其值视LED器件所器件所用的半导体材料的不同而不同，一般在用的半导体材料的不同而不同，一般在1.4V至至4V之间。之间。伏安特性伏安特性(3) 正向电压正向电压VF 在指定正向电流下器件两端的正向电压值。在指定正向电流下器件两端的正向电压值。所取的正向电流一般均较大，通常处于器件工作所取的正向电流一般均较大，通常处于器件工作的大信号区，如的大信号区，如10-30mA。伏安特性伏安特性(4) 正向电流正向电流F指驱动发光二极管正常工作的额定正向激励指驱动发光二极管正常工作的额定正向激励电流。电流。根据实际情况，根据实际情况，LED具有最大正向电流具有最大正向电流IFm，实际电流实际电

12、流IF 0.6 IFm ，与亮度成比例关系。，与亮度成比例关系。伏安特性伏安特性(4) 正向电流正向电流有时为了反映正向电流上升的快慢，可以测量有时为了反映正向电流上升的快慢，可以测量一电压增量一电压增量VF下的电流增量下的电流增量IF ，用，用VF/IF来表来表示上升的梯度。示上升的梯度。正反向电性的测量正反向电性的测量正向电性能正向电性能：采用恒流源供电，根据设定的电流自动调节采用恒流源供电，根据设定的电流自动调节输出正向工作电流，并测出输出正向工作电流，并测出LED两端的正向电压和流过两端的正向电压和流过LED的正向电流。的正向电流。FIFI电学参数电学参数正反向电性的测量正反向电性的测

13、量FIFI电学参数电学参数反向电性能反向电性能：采用恒压源：采用恒压源供电，增加恒压源电压，供电，增加恒压源电压，监测流过监测流过LED的电流的电流,当当电流达到设定的反向漏电电流达到设定的反向漏电流值时，此时的电压即为流值时，此时的电压即为反向击穿电压反向击穿电压; 根据设定的反向电压根据设定的反向电压调节恒压源，测出流过调节恒压源，测出流过LED的反向漏电流。的反向漏电流。1、正向电压正向电压VF一般： 红、黄、黄绿=VF值在1.8-2.5V 蓝、绿、紫=VF值在2.7-4.0V。 正反向电性的测量正反向电性的测量IF 值通常被设为一个测试条件和常亮时的标准电流；值通常被设为一个测试条件和

14、常亮时的标准电流；设定不同的值用以测试二极管的各项性能参数。设定不同的值用以测试二极管的各项性能参数。IF 特性：特性： 以正常的寿命讨论，以正常的寿命讨论， 通常标准通常标准 IF值设为值设为 20 30mA ； 正反向电性的测量正反向电性的测量2、正向电流、正向电流 IF IF增大时增大时 LAMP 的颜色、亮度的颜色、亮度、 VF 特性及工作温特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件；度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件；IF值增大：寿命缩短、值增大：寿命缩短、 VF值增大、波长偏低、温值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大。度上升、亮度增大。正反向电性的测量正反向

15、电性的测量2、正向电流、正向电流 IFVR 特性：特性： VR 是衡量是衡量 P/N 结反向耐压特性，结反向耐压特性，VR 赿高赿好；赿高赿好； 如果如果VR 值较低，在电路中使用时值较低，在电路中使用时,反向脉冲电流反向脉冲电流容易击穿变坏；容易击穿变坏； VR又通常被设定一定的安全值来测试反向电流值又通常被设定一定的安全值来测试反向电流值，一般设为，一般设为 5V ； 、红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到、红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到 20 40V ，蓝、纯绿、紫色等晶片反向电压只能做到，蓝、纯绿、紫色等晶片反向电压只能做到 5V 以上。以上。 正反向电性的测量正反向电性的测量3

16、. 反向击穿电压反向击穿电压LED加上反向电压时加上反向电压时, 用较精密的电流表测用较精密的电流表测量时，还是有很小的电流，只不过它不会影响电量时，还是有很小的电流，只不过它不会影响电源或电路所以经常忽略不记，认为是源或电路所以经常忽略不记，认为是 0 。 IR 特性：特性： IR 是反映二极管的反向特性，是反映二极管的反向特性， IR 值太大说明值太大说明 P/N 结特性不好，快被击穿；结特性不好，快被击穿； IR 值太小或为值太小或为 0 说说明二极管的反向很好；明二极管的反向很好； 通常通常 IR值较大时值较大时 VR 值相对会小，值相对会小， VR 值较小时值较小时 IR 值相对会大

17、；值相对会大； 正反向电性的测量正反向电性的测量4. 反向电流反向电流 I RLED电流电压关系电流电压关系LED电流与亮度关系电流与亮度关系n应用范围：车用仪表板指示灯、开关灯、音响指示灯低低电流使用电流使用LED 光通量（光通量（）发光强度（发光强度（I）亮度（亮度（L）照度（照度（E）发光效率（发光效率（）主波长（主波长（d）峰值波长（峰值波长（p）色纯度（色纯度（Purity)红色比（红色比（Red ratio）色温（色温（Tc）显色指数（显色指数（Ra）等。）等。光度学参数光度学参数 光强度：光强度：光源在单位立体角内发出的光通量，光源在单位立体角内发出的光通量，也就是光源所发出的光

18、通量在空间选定方向上分也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。光强的单位是坎特拉布的密度。光强的单位是坎特拉cd，也称烛光。，也称烛光。如：如：1单位立体角度内发出单位立体角度内发出1流明的光称为流明的光称为1坎特拉坎特拉(1cd）。）。如果在d立体角范围内传递的光通量为d，那么光强度、光照度和光亮度的区别？光强度、光照度和光亮度的区别？发光强度的单位是坎德拉Candle,记作Cd。发光强度为发光强度为1cd的的光源光源,可放射出可放射出l2.57, 即即4 lm光通光通量。量。 光强度、光照度和光亮度的区别？光强度、光照度和光亮度的区别？光照度：光照度：表面上一点的光照度是入射在

19、包含该点的面元上的光通量d除以该面元的面积dA。光照度的公制单位是lx（lm/m）。投射在受照面上的投射在受照面上的 ds 面面元上总的光通量元上总的光通量 d 与与该面元的比值该面元的比值光强度、光照度和光亮度的区别？光强度、光照度和光亮度的区别？光照度的单位是光照度的单位是lux。称。称为勒克斯，记作为勒克斯，记作lx。勒克斯勒克斯=流明流明/平方米平方米一般而言：桌面、工作面的照度不应少于一般而言：桌面、工作面的照度不应少于150 lx。起居室的照明。起居室的照明采用光线柔合的照明灯具较理想，其平均照度应达到采用光线柔合的照明灯具较理想，其平均照度应达到l00 lx左右。左右。阅读和书写

20、用的灯具功率可大些，照度应达到阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200 lx。 光强度、光照度和光亮度的区别？光强度、光照度和光亮度的区别？光亮度：光亮度：在给定方向上，每单位面积上的光强度在给定方向上，每单位面积上的光强度;单位为单位为cd/m。i为发光元面积为发光元面积ds的法线的法线N和和元立体角元立体角d的方向的夹角的方向的夹角 实验表明：光通量实验表明：光通量di与与元立体角元立体角d及元面光源及元面光源ds在该方向垂直平面上的投在该方向垂直平面上的投影影dscos i成正比成正比,即即 L为光亮度。为光亮度。光强度、光照度和光亮度的区别？光强度、光照度和光亮度的区别？发光效率

21、发光效率单位单位:lm/w 符号符号: 定义定义:LED发光效率表征器件电光转换的能力，发光效率表征器件电光转换的能力，一般用流明效率表示，即：一般用流明效率表示，即：Total Optical Power (W)主波长主波长 如图所示的色坐标，图中如图所示的色坐标，图中AB为黑体轨迹。设为黑体轨迹。设F点为某点为某一光源在色品图中的坐标，一光源在色品图中的坐标，E点为理想等能白光的参考光点为理想等能白光的参考光源点，坐标为源点，坐标为(x,y)=(0.33,0.33)。由。由E点连接点连接F点并延长交于点并延长交于G点，则点，则G点点对应的单色光波长即称为对应的单色光波长即称为F点点光源的主

22、波长。光源的主波长。峰值波长峰值波长 光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长。光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长。它是一个纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的它是一个纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。单色光的检测。主波长主波长D ：主波长是人眼能观察到的，由主波长是人眼能观察到的，由LED发出的主要单发出的主要单色光的波长。色光的波长。若已获得被测光的色度坐标，那么若已获得被测光的色度坐标，那么CIE1931色度图上由色度图上由E光源的色坐标点向该测光源的色坐标点引一光源的色坐标点向该测光源的色坐标点引一直线，延长直线与光谱轨迹相交的波长值即称之为该被测直线，延长直

23、线与光谱轨迹相交的波长值即称之为该被测光源的主波长。如光源的主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波材料可发出多个峰值波长，而主波长只有长只有1个。个。主波长与峰值波长有什么区别？主波长与峰值波长有什么区别？峰值波长p ：光谱辐射功率最大的波长。一般芯片厂家提供的是主波长。 红色比（红色比（R） 红色比一般用来表征白光红色比一般用来表征白光LED的色彩效果的色彩效果，是指，是指LED红光成分（红光成分（ ）占整个）占整个可见光光谱（可见光光谱（ ）的量。即：）的量。即： 式中式中 为光谱功率分布函数，为光谱功率分布函数， 为视见函数。为视见函数。a.显色性：显色性：人眼在不同光源的照明下

24、看到物体色会改变，感到物体颜色失真，这种影响物体颜色的特性称为光源的显色性。显色性好的光源照明下，则物体颜色失真小。光源的显色性由CRI表示，它表征了物体在光下颜色比基准色（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特征。b.显色指数：显色指数：在相应的色温情况下确立表征在特定条件下经某光源照射的物体所产生心理感官颜色与物体在标准光源照射下的心理感官相符合的程度的参数。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，并规定了14种测试用的标准用品，各类光源的显色指数各不相同。c.相关色温：相关色温：光源发射光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近，则黑体的温度就称为该光源发射的相关色温，单

25、位为K。n 显色指数越高，其显色性越好；色温越高，偏蓝色，人显色指数越高，其显色性越好；色温越高，偏蓝色，人的感觉越清爽；低色温光源照射，偏红色给人一种鲜艳温的感觉越清爽；低色温光源照射，偏红色给人一种鲜艳温暖感暖感.n显色性、显色指数和相关色温各指什么，有什么联系？显色性、显色指数和相关色温各指什么，有什么联系？ 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED光参量光参量符号符号单位单位简单定义简单定义光通量光通量Luminous flux(毫毫)流明流明(mlm) lm光源在单位时间内发出的光量。光源在单位时间内发出的光量。发光效率发光效率Luminous flux efficiency流

26、明每瓦流明每瓦lm/W也叫光通量效率。也叫光通量效率。LED发射的光通量与发射的光通量与其电功率的比值。其电功率的比值。主波长主波长Dominant wavelength纳米纳米nm主波长是人眼能观察到的，由主波长是人眼能观察到的，由LED发出发出的主要单色光的波长。的主要单色光的波长。峰值波长峰值波长Peak wavelength纳米纳米nm光谱辐射功率最大的波长。光谱辐射功率最大的波长。光照度光照度illuminance勒克斯勒克斯lx单位投射面积内的光通量。单位投射面积内的光通量。光强度光强度Luminous Intensity(毫毫)坎德拉坎德拉(mcd) cd单位立体角内的光通量。单

27、位立体角内的光通量。光亮度光亮度Luminance坎德拉每平方米坎德拉每平方米cd/m 单位投射面积在单位立体角内的光通量。单位投射面积在单位立体角内的光通量。色坐标色坐标Color Coordinates根据光谱功率分布根据光谱功率分布 曲线，用分光光曲线，用分光光度法求和来近似积分。度法求和来近似积分。v vDp VE vI vLyx,发光角度发光角度 半强角度指的是半强角度指的是LED光源中心法线向四周张开，中心光源中心法线向四周张开，中心光强光强I衰减衰减50%之间的夹角，即为半强角度，如图所示。之间的夹角，即为半强角度，如图所示。 光强与发光角度的测量光强与发光角度的测量光源的半强度

28、角：光源的半强度角：n. LED 发光视角发光视角 半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。 半值角的2倍为视角（或称半功率角）。测量条件A(近场条件)圆孔光阑面积1 cm2机械轴31.6 cm测量条件B（远场条件）圆孔光阑面积1 cm2机械轴新标准下的测量方法LED光强依赖于测量距离LED光强依赖于测量立体角LED光强还依赖于光轴与机械轴之间的偏差学参数（结温、热阻）学参数（结温、热阻） LED 结温的变化会影响其光通量、颜色和结温的变化会影响其光通量、颜色和正向电压等的变化，还会影响器件的效率和寿命；正向电压等的变化，还会影响器件的效率和寿命

29、； 而热阻的大小对功率而热阻的大小对功率LED的发光效率和寿命的发光效率和寿命尤甚。尤甚。 一般工作在小电流IF10mA，或者1020 mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或p 就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为：p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/由式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。 学参数（结温、热阻）学参数（结温、热阻）影响LED结温的各个因素：结温Tj:90-120热沉-PCB板温度Tc:75左右PCB板-散热片温度Tb:60-70环境温度Ta:45-55(1w大功率）LED電流與溫度關系溫度對LED的影響