LED性能参数及测试方法

LED选修课总结LED性能参数及测试方法院（系）名称专业班级学号学生姓名指导教师2011年11月24日第I页摘要发光二极管（英语：Light-EmittingDiode，简称LED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现而续渐发展至被用作照明。LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与电洞在其内重合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意渗入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。但当LED的发光强度达至足以用于室内照明的话，其效率会下降到比萤光灯更差（比萤光灯耗电），成本也高至极不合理水平，这是当前LED照明未能普及的重要原因。(September,2011)白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。因此，LED照明虽然尚未达到全面普及的程度，但是在光电转换效率及有效照度对用电量的比值上，均已经超过萤光灯，甚至有机会挑战低压钠灯(LowPressureSodiumlight)。关键词：正向偏置、电致发光·第II页目录Ⅰ检测性能参数的方法................................................................................................1ⅡLED的重要特性及测试.............................................................................................21电特性测试方法.................................................................................................22光特性测试.........................................................................................................33光谱参数.............................................................................................................54热学特性.............................................................................................................65可靠性.................................................................................................................6总结................................................................................................................................7参考文献........................................................................................................................8第1页Ⅰ检测性能参数的方法电子电气产品EMC方面的性能要求在以前并不受重视，但现在越来越多的国家和组织都把电磁兼容标准作为电气电子产品必备的性能评价依据，我国在2003年8月1日开始执行的CCC强制性认证，也把电磁兼容标准作为评价依据。电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁抗扰（EMS）两个方面。针对用于普通照明的LED模块，以下几项EMC方面的性能要求应予以考虑。1．静电放电抗扰度在低湿度条件下，人体通过摩擦会带电，带了电的人体直接触摸LED产品或其邻近设备时，放电脉冲电压可能会导致LED产品损坏，因此须对LED产品的抗静电能力作出要求。2．快速瞬变脉冲群抗扰度电路中机械开关对电感性负载的切换，通常会对同一电路中的其他电子设备产生干扰，其特点是脉冲成群出现，脉冲重复频率较高，脉冲波形的上升时间短暂。它通常会使设备产生误动作，因此该项指标对LED产品的控制电路而言是十分重要的。3．雷击浪涌抗扰度雷击是自然界普通的物理现象，它可以在户外架空线上感应出浪涌电压和电流。此外，在电站或开关站中，大型开关切换瞬间也会在供电线路上感应出大的浪涌电压和电流。这种浪涌能量特别大，可能会导致电气电子产品的损坏。因此该项指标对于LED产品（尤其是户外用产品）非常重要。4．周波跌落抗扰度周波跌落包括电压跌落、短时中断和电压变化。电压跌落、短时中断是由电网、变电设施故障或负载出现大的变化引起的，有时会连续出现两次或多次跌落或中断，电压变化则是负载连续变化引起的，通常会持续一段时间。该项指标是考核LED应用产品在不稳定电网中的抗干扰能力。5．传导骚扰传导骚扰是电气电子产品自身所产生的，通过导体传输形成的电磁骚扰。传导骚扰属于低频现象，一般都在9kHz～30MHz。第2页6．辐射骚扰辐射骚扰是电气电子产品自身所产生的，以电磁波的形式通过空间传播形成的电磁骚扰。电气电子产品的元件内部互相连通的行为就像小天线，当电流通过时就会发射电场，经过脉冲变压器时就会形成磁场。7．谐波电流所有非线性负载都能产生谐波电流，谐波电流将导致电源电流波形畸变，对电网造成污染，必须加以控制。对谐波电流的限制在一些自镇流的普通光源性能要求标准（如GB/T17263-2002普通照明用自镇流荧光灯性能要求［2］）中已有规定。以上前四项为EMS指标，后三项为EMI指标。值得注意的是，对于自镇流的LED模块，测试时只需要对输入端进行试验，而非自镇流的LED模块，则需要分别试验配套的驱动控制电路的输入、输出和LED模块的输入端。ⅡLED的重要特性及测试本文结合国内外关于LED测试方法的最新标准，基于LED各个应用领域的实际需求，从电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等方面进行了介绍。对于电特性测试，标准分别规定了LED正向电压、反向电压、反向电流的测试框图;对于光通量测试，标准规定采用2π立体角测试结构;对于光强测试，标准引用了CIE-127的推荐条件;此外，对光谱测试、热学特性测试、静电放电敏感度测试、寿命测试等都作了明确的规定。国家标准的制定总结了现有LED的测试方法，将其中的科学适用的方法升级为标准测试方法，很好地消除了各界在LED测试领域存在的分歧，也使测试结果更加真实地反映我国LED产业的整体水平。但是鉴于LED技术还在处于不断地发展之中，国家标准的制定并不是一劳永逸的，应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中。1电特性测试方法LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，其电压与电流之间的关系称为伏安特性。LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和第3页反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作(如图1所示)。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。图1LED伏安特性曲线LED电特性的测试一般在相应的恒流恒压源供电下，利用电压电流表进行测试。2光特性测试类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量、发光效率、辐射通量、辐射效率、光强、光强分布特性和光谱参数等。光通量和光效光通量的测试有两种方法，即积分球法和变角光度计法。变角光度计法是测试光通量最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。现有的积分球法测LED光通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是将其放在球壁。第4页图2积分球法测LED光通量由于采用积分球法测试光通量时，光源对光的自吸收会对测试结果造成影响。因此，往往需要引入辅助灯(见图3)。图3辅助灯法消除自吸收影响在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得LED的发光效率。而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。光强和光强分布特性图4LED光强测试中的问题图4中，点光源光强在空间各方向均匀分布，在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果不会改变。但是，LED由于其光强分布不一致，使得测试结果随测试距离和探测器孔径而变化。因此，CIE-127提出了两种推荐测试条件，使得各个LED在同一条件下进行光强测试与评价如图5所示。目前，CIE-127推荐测试条件已经被各LED制造商和检测机构引用。第5页图5CIE-127推荐LED光强测试条件3光谱参数LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。所有LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，白光LED光谱功率分布如图6所示。而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。光谱功率分布的测试需要通过分光进行，将各色光从混合的光中区分出来进行测定，一般可以采用棱镜和光栅实现分光。图6白光LED光谱功率分布LED开关特性测试LED开关特性是指LED在通电和断电瞬间的光、电、色变化特性。通过LED开关特性的测试可以获得LED在通断电瞬间的工作状态、物质属性等的变化规律，由此不仅可了解通断电对LED的损耗，也可用以指导LED驱动模块的设计等。颜色特性LED的颜色特性主要包括色品坐标、主波长、色纯度、色温及显色性等，LED的颜色特性对白光LED尤为重要。第6页现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法。分光光度法是通过单色仪分光测得LED光谱功率分布，然后利用色度加权函数积分获得对应色度参数;积分法是利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数(见图7)。分光光度法的准确性要大大高于积分法。图7LED颜色特性测试方法4热学特性LED的热学特性主要指热阻和结温。热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比;结温是指LED的PN结温度。LED的热阻和结温是影响LED光电性能的重要因素。现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温显微镜或微型热偶测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够;另外一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定LED的结温。5可靠性LED的可靠性包括静电敏感度特性、寿命、环境特性等。静电敏感度特性是指LED能承受的静电放电电压。某些LED由于电阻率较高，且正负电极距离很短，当两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会击穿PN结，严重时可将PN结击穿导致LED失效。因此必须对LED的静电敏感度特性进行测试，获得LED的静电放电故障临界电压。目前，一般采用人体模式、机器模式、器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象。为了观察LED长期连续使用时光性能的变化规律，需要对LED进行抽样试验，通第7页过长期观察和统计来获得LED的寿命参数。对于LED环境特性的试验往往采用模拟LED在应用中遇到的各类自然侵袭的方法，一般有高低温冲击试验、湿度循环试验、潮湿试验、盐雾试验、沙尘试验、辐照试验、振动和冲击试验、跌落试验、离心加速度试验等。总结LED显示屏的发展可分为以下几个阶段：第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券