半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法

半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法

摘要
系統(tǒng)地介紹了與發(fā)光二極管測試有關(guān)的術(shù)語和定義,在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了測試方法和測試裝置的要求。
1 前 言
半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一種重要的光電子器件,它在科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均有非常廣泛的應(yīng)用.發(fā)光二極管雖小,但要準(zhǔn)確測量它的各項(xiàng)光和輻射參數(shù)并非一件易事.目前在世界范圍內(nèi)的測試比對(duì)還有較大的差異.鑒于此,CIE(國際照明委員會(huì))TC2-34小組對(duì)此進(jìn)行了研究,所提出的技術(shù)報(bào)告形成了CIE127-1997文件.
中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電器件專業(yè)分會(huì)根據(jù)國內(nèi)及行業(yè)內(nèi)部的實(shí)際情況,初步制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"發(fā)光二極管測試方法",2002年起在行業(yè)內(nèi)部試行.本文敘述了與發(fā)光二極管測試有關(guān)的術(shù)語和定義,在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)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(fā)光二極管及其組件,其芯片測試可以參照進(jìn)行。
2 術(shù)語和定義
2.1發(fā)光二極管 LED
除半導(dǎo)體激光器外，當(dāng)電流激勵(lì)時(shí)能發(fā)射光學(xué)輻射的半導(dǎo)體二極管。嚴(yán)格地講，術(shù)語LED應(yīng)該僅應(yīng)用于發(fā)射可見光的二極管；發(fā)射近紅外輻射的二極管叫紅外發(fā)光二極管（IRED,Infrared Emitting Diode）；發(fā)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(fā)光二極管；但是習(xí)慣上把上述三種半導(dǎo)體二極管統(tǒng)稱為發(fā)光二極管。
2.2光軸 Optical axis
最大發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度方向中心線。
2.3正向電壓VF Forward voltage
通過發(fā)光二極管的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。
2.4反向電流IR Reverse current
加在發(fā)光二極管兩端的反向電壓為確定值時(shí)，流過發(fā)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(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。
2.6總電容C Capacitance
在規(guī)定正向偏壓和規(guī)定頻率下，發(fā)光二極管兩端的電容。
2.7開關(guān)時(shí)間 Switching time
涉及以下概念的最低和最高規(guī)定值是10％和90％，除非特別注明。
2.7.1開啟延遲時(shí)間td(on) Turn-on delay time
輸入脈沖前沿最低規(guī)定值到輸出脈沖前沿最低規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。
2.7.2上升時(shí)間tr Rise time
輸出脈沖前沿最低規(guī)定值到最高規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。
2.7.3開啟時(shí)間ton Turn-on time
器件所加輸入脈沖前沿的最低規(guī)定值到輸出脈沖前沿最高規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。
ton= td(on)+tr

2.7.4關(guān)閉延遲時(shí)間td(off) Turn-off delay time
器件所加輸入脈沖后沿的最高規(guī)定值到輸出脈沖后沿最高規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。
2.7.5下降時(shí)間tf Fall time
輸出脈沖后沿最高規(guī)定值到最低規(guī)定值之間的時(shí)間間隔（見圖1）。

圖1 開關(guān)時(shí)間 延遲時(shí)間

2.7.6關(guān)閉時(shí)間toff Turn-off time
器件所加輸入脈沖后沿的最低規(guī)定值到輸出脈沖后沿最低規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。


toff =td(off)+tf


2.8光通量Φv Luminous flux
通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí)，器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。
2.9輻射功率Φe Radiant power
通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí)，器件光學(xué)窗口發(fā)射的輻射功率。
2.10輻射功率效率ηe Radiant power efficiency
器件發(fā)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(shù)語不會(huì)混淆時(shí)，可簡稱為輻射效率 (Radiant efficiency)。
2.11光通量效率ηv Luminous flux efficiency
器件發(fā)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(shù)語不會(huì)混淆時(shí)，可簡稱為發(fā)光效率（Luminous efficiency）。
2.12發(fā)光（或輻射）空間分布圖及相關(guān)特性
2.12.1發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度Iv Luminous（or Radiant） intensity
光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光（或輻射）通量，可表示為Iv =dΦ/dΩ。發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度的概念要求假定輻射源是一個(gè)點(diǎn)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(qiáng)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(yuǎn)場條件。
然而在許多應(yīng)用中，測量LED時(shí)所用的距離相對(duì)較短，源的相對(duì)尺寸太大，或者探測器表面構(gòu)成的角度太大，這就是所謂的近場條件。此時(shí)，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(qiáng)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(gòu)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(jì)算得到。
I=Φ/Ω=Φ/(S/d2)


CIE推薦標(biāo)準(zhǔn)條件A和B(見7.2.1.2)來測量近場條件下的平均LED強(qiáng)度,可以分別用符號(hào)ILED A和ILED B來表示,用符號(hào)ILED Ae和ILED Av分別表示標(biāo)準(zhǔn)條件A測量的平均LED輻射強(qiáng)度和平均LED發(fā)光強(qiáng)度。
2.12.3發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度空間分布圖 Luminous（or Radiant）diagram
反映器件的發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度空間分布特性（見圖2）：
Iv(或Ie)=f(θ)


圖2 輻射圖和有關(guān)特性



注1：除非另外規(guī)定，發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度分布應(yīng)該規(guī)定在包括機(jī)械軸Z的平面內(nèi)。
注2：如果發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度分布圖形有以Z軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度空間分布圖僅規(guī)定一個(gè)平面。
注3：如果沒有以Z軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，各種角度θ的發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度分布應(yīng)有要求，X、Y、Z方向要求可有詳細(xì)規(guī)范定義。
2.12.4半強(qiáng)度角θ1/2 Half-intensity angle
在發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度分布圖形中，發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度大于最大強(qiáng)度一半構(gòu)成的角度（見圖2）。
2.12.5偏差角Δθ Misalignment angle
在發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度分布圖形中，最大發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度方向（光軸）與機(jī)械軸Z之間的夾角（見圖2）。
2.13光譜特性
2.13.1峰值發(fā)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(nèi)，各個(gè)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(chǔ)存溫度（Tstg ）
3.2 最低和最高工作環(huán)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(huán)境或管基溫度時(shí)的最大連續(xù)正向電流（IF ）和減額定值曲線或減額定值系數(shù)。
3.5 在適當(dāng)?shù)胤剑谝?guī)定脈沖條件下，在25℃環(huán)境或管基溫度時(shí)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(yàn)條件
除非另有規(guī)定，器件的光電參數(shù)測試應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)條件進(jìn)行。
5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件
溫度：15℃～35℃
相對(duì)濕度：20％～80％
氣壓：86kPa～106kPa
5.1.2 仲裁試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件
溫度：25℃±1℃；
相對(duì)濕度：48％～52％；
氣壓：86kPa～106kPa
5.1.3 環(huán)境條件
a） 測試環(huán)境應(yīng)無影響測試準(zhǔn)確度的機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾；.
b） 除非另有規(guī)定，器件全部光電參數(shù)均應(yīng)在熱平衡下進(jìn)行；
c） 測試系統(tǒng)應(yīng)接地良好。
5.2 參數(shù)要求
除非另有規(guī)定，器件測試應(yīng)采取預(yù)防措施和保持下述公差。雖然在有關(guān)文件中規(guī)定的測試條件嚴(yán)于下述公差，但在一般情況下，應(yīng)遵循下述規(guī)定的條件。
a） 偏置條件應(yīng)在規(guī)定值的±3％以內(nèi)；
b） 輸入脈沖特性，重復(fù)頻率和頻率等的誤差應(yīng)在±10％以內(nèi)；
c） 測量開關(guān)參數(shù)的誤差應(yīng)在±5％以內(nèi)；
d） 測量直流電參數(shù)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(qiáng)度角誤差不大于10％；
h） 測量發(fā)光強(qiáng)度誤差不大于25％。
 

半導(dǎo)體發(fā)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(qiáng)度
--方法2002 半強(qiáng)度角和偏差角
--方法2003 光通量和發(fā)光效率
--方法2004 輻射通量和輻射效率
--方法2005 峰值發(fā)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(guān)時(shí)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(guī)定正向工作電流下，兩電極間產(chǎn)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(tǒng)，并使儀器預(yù)熱；
b） 調(diào)節(jié)恒流源，使電流表讀數(shù)為規(guī)定值，這時(shí)在直流電壓表上的讀數(shù)即為被測器件的正向電壓。
6.1.1.4 規(guī)定條件
環(huán)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(guī)定值時(shí)，在兩電極之間產(chǎn)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(wěn)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(tǒng)，并使儀器預(yù)熱。
b） 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，使電流表讀數(shù)為規(guī)定值，這時(shí)在直流電壓表上的讀數(shù)即為被測器件的反向電壓。
6.1.2.4 規(guī)定條件
環(huán)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(guī)定的反向電壓時(shí)產(chǎn)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(wěn)壓源；
A--電流表；
V--電壓表。



6.1.3.3 測試步驟
a） 按圖5原理連接測試系統(tǒng)，并使儀器預(yù)熱。
b） 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，使電壓表讀數(shù)為規(guī)定值，這時(shí)在直流電流表上的讀數(shù)即為被測器件的反向電流。
6.1.3.4 規(guī)定條件
環(huán)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(guī)定的正向偏壓和規(guī)定頻率的信號(hào)時(shí)，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(tǒng)，并使儀器預(yù)熱；
b） 調(diào)節(jié)電壓源和調(diào)節(jié)電容儀，分別給被測LED器件施加規(guī)定的正向偏壓和規(guī)定頻率的信號(hào)，將電容儀刻度盤上讀數(shù)扣去電容C0等效值即為被測LED器件總電容值。
6.1.4.4 規(guī)定條件
環(huán)境或管基溫度；
正向偏置電壓；
電容儀提供規(guī)定頻率的信號(hào)。
6.2 2000類 光特性測試方法
6.2.1 方法2001：平均LED強(qiáng)度
6.2.1.1 目的
測量半導(dǎo)體發(fā)光二極管平均LED強(qiáng)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(yīng)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(diào)整被測LED器件使它的機(jī)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(fā)射的光譜波長范圍內(nèi)應(yīng)該校準(zhǔn)到CIE（國際照明委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)光度觀測者光譜曲線;測試輻射參數(shù)時(shí)應(yīng)采用無光譜選擇性的光探測器。測試系統(tǒng)應(yīng)該按距離d和光闌D1用標(biāo)準(zhǔn)器校正。測量距離d應(yīng)按CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件A和B設(shè)置。在這兩種條件下,所用的探測器要求有一個(gè)面積為100mm2(相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)條件A         316mm         0.001sr         2o
標(biāo)準(zhǔn)條件B         100mm         0.01sr         6.5o
注3：對(duì)于脈沖測量，電流源應(yīng)該提供所要求的幅度，寬度和重復(fù)率的電流脈沖。探測器上升時(shí)間相對(duì)于脈沖寬度應(yīng)該足夠小，系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)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(guī)定的電流，在光度測量系統(tǒng)測量平均LED強(qiáng)度。
6.2.1.4 規(guī)定條件
環(huán)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(fù)率；
6.2.2 方法2002：半強(qiáng)度角和偏差角
6.2.2.1 目的
測量半導(dǎo)體發(fā)光二極管在規(guī)定的工作電流下的平均LED強(qiáng)度的空間分布和半最大強(qiáng)度角及偏差角。半強(qiáng)度角 θ1/2是發(fā)光（或輻射）強(qiáng)度大于等于最大強(qiáng)度一半構(gòu)成的角度（見圖8），在平均LED強(qiáng)度分布圖形中，最大強(qiáng)度方向（光軸）與機(jī)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(yīng)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(yīng)該設(shè)置為CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A或B；
注2：對(duì)于脈沖測量，電流源應(yīng)該提供所要求的幅度、寬度和重復(fù)率的電流脈沖，探測器上升時(shí)間相對(duì)于脈沖寬度應(yīng)該足夠小，系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)峰值測量儀器；
注3：被測LED定位在一種裝置上（如：旋轉(zhuǎn)中心位于系統(tǒng)光軸上的角度盤上，度盤應(yīng)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(xiàn)；
--變化角度θ、器件D光學(xué)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(zhuǎn)；
--能測量關(guān)于X軸的旋轉(zhuǎn)角。
6.2.2.2 測量步驟
a） 給被測器件加上規(guī)定的工作電流。調(diào)正被測器件D的機(jī)械軸與光探測器軸重合，即θ＝0，測量光探測器的信號(hào)，把這個(gè)值設(shè)置為 I0＝100％；
b） 從0－±90°旋轉(zhuǎn)度盤，光電測量系統(tǒng)測量各個(gè)角度時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度值，得到相對(duì)強(qiáng)度I /I0 與θ之間的關(guān)系，優(yōu)先采用極坐標(biāo)圖來表示，其它形式，如直角坐標(biāo)圖，在空白詳細(xì)規(guī)范中定義后可以使用。在該圖上分別讀取半最大強(qiáng)度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度θ1 θ2 ，半強(qiáng)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(guī)定條件
環(huán)境和管基溫度；
規(guī)定正向電流IF 或者輻射功率Φe；
機(jī)械參照平面。
6.2.3 方法2003:光通量和發(fā)光效率
6.2.3.1 目的
測量被測LED器件在規(guī)定條件下的光通量和發(fā)光效率。
