LED光電特性的測試方案

一、引言

LED光電測試是檢驗LED光電性能的重要而且唯一的手段，相應的測試結果是評價和反映當前我國LED產業(yè)發(fā)展水平的依據。制定LED光電測試方法的標準是統一衡量LED產品光電性能的重要途徑，是使測試結果真實反映我國LED產業(yè)發(fā)展水平的前提。本文結合最新的LED測試方法的國家標準，介紹了LED的光電性能測試的幾個主要方面。

二、LED測試方法

基于LED各個應用領域的實際需求，LED的測試需要包含多方面的內容，包括：電特性、光特性、開關特性、顏色特性、熱學特性、可靠性等。

1、電特性

LED是一個由半導體無機材料構成的單極性PN結二極管，它是半導體PN結二極管中的一種，其電壓-電流之間的關系稱為伏安特性。由圖1可知，LED電特性參數包括正向電流、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動下才能正常工作。通過LED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也可以測定LED的最佳工作電功率。

圖1：LED伏安特性曲線。

LED電特性的測試一般利用相應的恒流恒壓源供電下利用電壓電流表進行測試。

2、光特性

類似于其它光源，LED光特性的測試主要包括光通量和發(fā)光效率、輻射通量和輻射效率、光強和光強分布特性和光譜參數等。

(1)光通量和光效

有兩種方法可以用于光通量的測試，積分球法和變角光度計法。變角光度計法是測試光通量的最精確的方法，但是由于其耗時較長，所以一般采用積分球法測試光通量。如圖2所示，現有的積分球法測LED光通量中有兩種測試結構，一種是將被測LED放置在球心，另外一種是放在球壁。

圖2 ：積分球法測LED光通量。

此外，由于積分球法測試光通量時光源對光的自吸收會對測試結果造成影響，因此，往往引入輔助燈，如圖3所示。

圖3：輔助燈法消除自吸收影響。

在測得光通量之后，配合電參數測試儀可以測得LED的發(fā)光效率。而輻射通量和輻射效率的測試方法類似于光通量和發(fā)光效率的測試。

(2)光強和光強分布特性

圖4：LED光強測試中的問題。

如圖4所示，點光源光強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器接收得到的測試結果都不會改變，但是LED由于其光強分布的不一致使得測試結果隨測試距離和探測器孔徑變化。因此，CIE-127提出了兩種推薦測試條件使得各個LED在同一條件下進行光強測試與評價，目前CIE-127條件已經被各LED制造商和檢測機構引用。

圖5：CIE-127推薦LED光強測試條件。

(3)光譜參數

LED的光譜特性參數主要包括峰值發(fā)射波長、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，而由LED的光譜功率分布還可計算得到色度參數。

光譜功率分布的測試需要通過分光進行，將各色光從混合的光中區(qū)分出來進行測定，一般可以采用棱鏡和光柵實現分光。

圖6：白光LED光譜功率分布。

3、開關特性

LED開關特性是指LED通電和斷電瞬間的光、電、色變化特性。通過LED開關特性的測試可以獲得LED在通斷電瞬間工作狀態(tài)、物質屬性等的變化規(guī)律，由此不僅可了解通斷電對LED的損耗，也可用以指導LED驅動模塊的設計等。

4、顏色特性

LED的顏色特性主要包括色品坐標、主波長、色純度、色溫及顯色性等，LED的顏色特性對白光LED尤為重要。現有的顏色特性測試方法有分光光度法和積分法。如圖7所示：分光光度法是通過單色儀分光測得LED光譜功率分布，之后利用色度加權函數積分獲得對應色度參數;積分法是利用特定濾色片配合光電探測器直接測得色度參數;分光光度法的準確性要大大高于積分法。

圖7：LED顏色特性測試方法。

5、熱學特性

LED的熱學特性主要指熱阻和結溫。熱阻是指沿熱流通道上的溫度差與通道上耗散的功率之比。結溫是指LED的PN結溫度。LED的熱阻和結溫是影響LED光電性能的重要因素。

現有的對LED結溫的測試一般有兩種方法：一種是采用紅外測溫顯微鏡或微型熱偶測得LED芯片表面的溫度并視其為LED的結溫，但是準確度不夠;另外一種是利用確定電流下的正向偏壓與結溫之間反比變化的關系來判定LED的結溫。

6、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，且正負電極距離很短，若兩端的靜電電荷累積到一定值時，這一靜電電壓會擊穿PN結，嚴重時可將PN結擊穿導致LED失效，因此必須對LED的靜電敏感度特性進行測試，獲得LED的靜電放電故障臨界電壓。目前一般采用人體模式、機器模式、器件充電模式來模擬現實生活中的靜電放電現象。

為了觀察LED在長期連續(xù)使用情況下光性能的變化規(guī)律，需要對LED進行抽樣試驗，通過長期觀察和統計獲得LED壽命參數。

對于LED環(huán)境特性的試驗往往采用模擬LED在應用中遇到的各類自然侵襲，一般有：高低溫沖擊試驗、濕度循環(huán)試驗、潮濕試驗、鹽霧試驗、沙塵試驗、輻照試驗、振動和沖擊試驗、跌落試驗、離心加速度試驗等。

三、國家標準的制定

總結以上測試方法，半導體發(fā)光二極管測試方法國家標準對LED電特性、光學特性、熱學特性、靜電特性及壽命測試都作了相應的規(guī)定。

對于電特性測試，標準分別規(guī)定了LED正向電壓、反向電壓、反向電流的測試框圖;對于光通量測試，標準規(guī)定采用2π立體角測試結構;對于光強測試，標準引用了CIE-127的推薦條件;此外，對光譜測試、熱學特性測試、靜電放電敏感度測試、壽命測試等都作了明確的規(guī)定。

四、結論

國家標準的制定總結了現有LED的測試方法，將其中的科學適用的方法升級為標準測試方法，很好地消除了各界在LED測試領域存在的分歧，也使測試結果更加真實地反映我國LED產業(yè)的整體水平。但是鑒于LED技術還在處于不斷地發(fā)展之中，國家標準的制定并不是一勞永逸的，應當時刻將最新最合適的測試技術引入標準之中。