半导体照明的检测-光电子

1、1,半导体照明的检测,2,研究背景 半导体的发光原理 半导体照明的应用与发展 半导体照明的检测原理与方法（部分） 综合检测设备实样展示,主要内容,3,研究背景,20世纪年代末，随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，一场新的产业革命照明革命开始酝酿，LED产品成为最新的节能照明产品。 LED的优点：高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等,4,半导体的发光原理,二极管发光示意图,发光二极管:除半导体激光器外,当电流激励时能发射光辐射的半导体二极管。,5,半导体照明的应用与发展,近十年来，LED制造技术取得了突飞猛 进的发展，主要体现在两个方面: 一是发光效率显著提高

2、，光通量相应增大； 二是发光颜色覆盖到了可见光光谱范围。,6,LED交通灯 LED汽车尾灯 LED固体灯 LED 装饰灯,7,LED交通信号灯与传统交通信号灯比较分析,出光特点 聚光、显示效应 使用寿命 寿命、更换频率 耗电量 节能、安全稳定,8,半导体照明的发展分析,国内半导体照明产业已初步形成“广东、深圳”，“福建、江西”，“江苏、上海、浙江”，“北京、东北、河北”四个产业相对集中的区域，并呈现出北方研发机构集中，研发力量强，而南方产业化能力强，应用发展快的产业格局。,9,关于照明检测的研究意义： 半导体照明检测方法的重要性。 半导体照明检测所面临的问题。,10,功率型LED是半导体照明的

3、核心，研究开发高效大功率LED外延、芯片及封装技术是业界永恒的主题。同时，器件可靠性以及测试技术与标准也越来越引起人们的关注。测试技术与测试标准也成为比较热门的话题，测试技术科学化、规范化，统一测试标准，将是LED产业健康有序竞争的一根标尺。,11,1、显示或指示用的传统检测标准及测试方法 已不能满足照明应用需要。 2、国内外的半导体设备仪器生产企业推出各 自的测试仪器。 3、国内目前没有较全面的LED国家和行业测 试标准，也没有相应的检测系统。,12,国际标准: （1）IEC60747-5 Semiconductor devices Discrete devices and integrat

4、ed circuits(1992) 译文：IEC60747-5半导体分立器件及集成电路 （2）IEC60747-5-2 Discrete semiconductor devices and integrated circuits-Part 5-2:Optoelectronic devices- Essential ratings and characteristics (1997-09) 译文：IEC60747-5-2分立半导体器件及集成电路零部件5-2：光电子 器件 分类特征及要素(1997-09) （3）IEC60747-5-3 Discrete semiconductor devices

5、 and integrated circuits-Part 5-3 :Optoelectronic devices- Measuring methods(1997-08) 译文：IEC60747-5-3分立半导体器件及集成电路零部件5-3：光电子器 件测试方法(1997-08) （4）IEC60747-12-3 Semiconductor devicespart12-3: opto- electronic devices Blank detail specification for light- emitting diodes Display application(1998-02) 译文：I

6、EC60747-12-3半导体分立器件12-3：光电子器件显示用发光二极 管空白详细标准（1998-02） （5）CIE127-1997 Measurement of LED s(1997) 译文：CIE127-1997 LED测试方法（1997） （6） CIE/ISO standards on LED intensity measurements 译文：CIE/ISO LED强度测试标准,13,国内标准: （1）Sj2353.3-83半导体发光二极管测试方法 （2）Sj265886 半导体红外发光二极管测试方法 （3）GB/T125611990发光二极管空白详细规范 （4）GB/T1565

7、11995半导体器件分立器件和集成电 路：光电子器件（国家标准） （5）GB/T18904.32002半导体器件12-3:光电子 器件显示用发光二极管空白详细规范（采用IEC60 747-12-3:1998） （6）半导体分立器件和集成电路第52部分：光电子器 件基本额定值和特性 （7）半导体分立器件和集成电路第53部分：光电子器 件测试方法 （8）半导体发光二极管测试方法（中国光协光电器件分 会标准；2002）,14,电学特性 光学特性 光电特性 颜色分析 温度分析,拟检测的相关参数,正向电压、反向电压、反向电流、总电容、最大允许功耗PFm。,平均LED强度、半强度角1/2和偏差角、光通量、

8、发光效率、辐射光通量和辐射效率、峰值发射波长，光谱辐射带宽和光谱功率分布、发光亮度、LED的寿命期和衰减率。,电学特性的响应、光学特性的响应,主波长、纯度、色温,发光二极管强度与温度的关系,15,半导体照明的检测试验条件,1 标准大气条件下（气压、湿度和温度的控制） 温度：1535； 相对湿度：2080； 气压：86kPa106kPa； 2 仲裁试验的标准大气条件 3 环境条件（机械振动和电磁干扰的控制） 4 参数要求 （偏置和误差的要求）,16,电学特性分析,概 述: LED 的I-V特性表征LED芯片PN结制备性能 主要参数,具有非线性、整流性质。,17,测量内容：测量正向电压、反向电压、

9、反向电流、总电容。 实验器件: D-被测LED器件 G-恒流源 A-电流表 V-电压表 规定条件: 环境或管基温度 正向偏置电流。,电学特性测试,正向电压测试框图,18,反向电压测试框图,反向电流测试框,总电容测试框图,19,1、概 述: LED发光强度：表征它在某个方向上的发光强弱。 (单位：坎德拉 ，cd) 平均LED强度:照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量与由 探测器构成的立体角的比值 。 I=/=/(S/d2) 立体角含义：以r为半径做一圆球，若锥面在圆球上截出的面积S 等于r2，则该立体角为一个单位立体角。 （单位：球面度，sr）,光学特性分析与测试发光强度,20,CIE推荐

10、标准条件A和B,2、测量内容：平均LED强度的测量:,21,实验器件: D-被测LED器件；PD-包括面积为A的光阑 D1的光度探测器；G-电流源 D2、D3-消 除杂散光光栏；d-被测LED器件与光阑D1之间的距离。 规定条件: 环境温度和合适的大气条件；正向电流（宽度和重复率）。,22,光学特性分析与测试光强分布 1、概述:反映器件的发光（或辐射）强度空间分布特性 偏差角 ：最大光强度方向（光轴）与机械轴Z之间的夹角 半强度角1/2：半强度角 1/2是发光（或辐射）强度大于 等于最大强度一半构成的角度。,23,实验器件: D被测LED器件; G-电流源； PD包括面积 为A的光阑D1的光度

11、探测器； D2,D3消除杂散光光栏, D2,D3不应限制探测立体角；：Z轴和探测器轴之间的 夹角;d被测LED器件与光阑D1之间的距离。 规定条件: 环境和管基温度；规定正向电流IF 或者辐射功率 e；机械参照平面。,2、测量,24,光学特性测试光通量和发光效率,1、概 述: 光通量F：表征LED总光输出的辐射能量，标志器件的性能优 劣。光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流 源大小有关。 （单位：流明，lm)。 LED效率：内部效率（PN结附近由电能转化成光能的效率） 外部效率（辐射到外部的效率）。 LED发光效率：表征节能特性.辐射出光通量/输入电功率。 （F/（IF *VF ）(单位:

12、lm/w),25,测量内容：光通量 发光效率 规定条件: 环境温度、管基温度、正向电流。,2、测量,26,光学特性测试辐射光通量和辐射效率 （非可见光）,1、概 述: 辐射通量：又常称为辐射功率，是辐射源发射,传输和接收的功率. e =dQe/dt，（单位：W） 辐射通量的概念适用于所有光谱段的光和辐射，对于紫外、 可见和近红外发光二极管都适用。在可见光范围内，光源 发射的光和辐射将引起人眼的视觉，光源发射的辐射通量中 能引起人眼视觉的那部分量称作为光通量。 辐射效率:辐射通量数值除以正向电流IF 和正向电压VF 的乘积值即 为辐射效率。 辐射强度Ie 、辐射亮度Le 、辐射照度Ee,27,辐

13、射强度Ie：为在给定方向上的立体角元内,离开点辐射源(或辐射源面元)的辐射通量de与该立体角元 d的比值.单位为瓦球面度(W/sr )。 Ie =de/D 辐射亮度Le：辐射源面上面积为dS 的一点沿给定方向上的辐射强度dIe与该点在垂直于给定方向的平面上正投影面积的比值定义为给定方向上的辐射亮度.单位为W/(srm2)。 辐射照度Ee：照射在辐射接收面上一点的辐射通量de 与该点面积dA的比值，单位为W/m2 。即 Ee=de/dA,28,规定条件: 环境和管基温度；正向电流。,2、测量,29,光学特性测试峰值发射波长，光谱辐 射带宽和光谱功率分布 1、概 述: LED发光强度或光功率输出随

14、着波长变化而不 同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。 峰值波长：与相对光强度最强处（光输出最大）相对应的波长， 称为峰值波长用p表示。 谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强 等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点对应宽度叫谱 线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。 。,30,LED光谱分布曲线（LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及 PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器 件的几何形状、封装方式无关） 1蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O 4 红外GaAs 5 Si光敏光电管 6 标准钨丝灯,波长,相对功率,31,实验器件: D

15、-被测LED器件;L-聚焦透镜系统； G-电流源（直流或脉冲）；M-单色仪； D2,D3-消除杂散光光栏； RM-包括光阑D1的辐射探测系统。 规定条件: 环境和管基温度；规定的正向电流（直流或脉冲）。,2、峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布测试:,32,LED公认的三项技术指标，也是客户最关心的部分。 1、亮度：发光物体表面或被照射物体的反光表面，在人眼观察方 向所看到的亮暗程度。（单位：cd/m2或Nit） 照度：不发光的物体被光源照明的程度（单位：勒克斯，流 明/米2） LED亮度与外加电流密度有关，JO（电流密度）增加，亮度也近 似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，

16、LED 复合效率下降，亮度减小。,光学特性测试发光亮度、LED的寿命 和衰减率,33,*104=Nit,34,2、老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强 或光亮度衰减现象。 寿命与衰减率：通常把亮度降到Bt=1/2BO，衰减率 50%，所经历的时间t称为二极管的 寿命。 3、国外学者常以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。,35,1、概述:电学特性的响应；光学特性的响应。,光电特性测试,电学响应：随电信号变化， LED电流的延迟特性 开关时间、开启延迟时间td(on)、上升时间tr 、开启 时间ton 、关闭延迟时间td(off)、下降时间tf 、关闭 时间toff 光学响应：LED

17、随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性 上升时间：从接通电源使LED的发光亮度达到正常的10%开始到 LED的发光亮度达到正常的90%所经历的时间。 下降时间：LED断电后,发光亮度由正常值的90%下降到正常的 10%所经历的时间。,36,开关时间 延迟时间,2、测量,37,测量内容：开关时间 实验器件:D-被测LED器件；G1-高阻电流脉冲发生器； G2-直流电流偏置电源；G3-直流电 压偏置电源 Rd-匹配发生器阻抗的电阻；RL-负载电阻； M-测量仪器；PD-光电二极管；Syn-同步信号。 规定条件: 环境、管基温度；直流偏置电流；光学窗口；光 学结构。,光电特性测试,38,概述:人们根据颜色

18、外貌,按直观的心理感受,对颜色进行归纳、排列 1、颜色的心理特性： 色 调：表示颜色相互区分的属性，如可见光谱中红、绿、蓝和黄 等。光源的色调取决于人眼对其辐射的光谱构成产生的感 觉；物体的色调则取决于人眼对光源光谱组成和物体表面反 射（或透射）的各波长辐射的比例所产生的感觉。 饱和度：指颜色的纯洁性。可见光谱中各单色光的饱和度最高，当 单色光中掺入白光愈多时，则饱和度愈低。 明 度：明度是人眼感觉到颜色的明亮程度。物体色的黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上就是明度的变化，愈接近白色，明度愈高。,颜色参数测试,39,LED器件的光辐射会人眼产生视觉刺激，人们根据自己 的感受评价

19、LED器件的颜色特性。为避免评价的主观性， 必须用物理的方法对颜色进行计量。 CIE（国际照明委员会），在RGB系统的基础上采用设 想的三原色（X）、（Y）、（Z)分别代表红色、绿色 和蓝色，建立了CIE1931色度图，同时将匹配等能光 谱各种颜色的三原色数据标准化，确定 “CIE1931XYZ 标准色度学系统”。,2、CIE1931XYZ色度系统；,RGB色彩模式：自然界中绝大部分的可见光谱可以用红、绿和蓝三色光按不同比例和强度的混合来表示。R代表红色，G代表绿色、B代表蓝色。RGB模式是一种加色法模式，通过R、G、B的辐射量，可描述出任一颜色。计算机定义颜色时R、G、B三种成分的取值范围是

20、0-255，0表示没有刺激量，255表示刺激量达最大值。RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16581375种颜色。,40,CIE1931XYZ色度系统,色品坐标,颜色,41,在测得LED的光谱能量特性P() 后,就可以经过运算获得LED的色度坐标.LED的颜色三刺激值的计算式为:,x（）y（）z（）- 分别是CIE1931-XYZ标准色度观测者光谱三刺激值（根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，以此代表人眼的平均颜色视觉特性 ） 。,42,对于光源来说，Y表示亮度;K是调整系数(K称为调整系数， 它是将照明体或光源的Y值调整为

21、100时得出),43,得到X, Y, Z三刺激值后，可以进而计算出色品坐标,44,主波长：任何一个颜色都可视为用某一个光谱色按一定比例与一个 参照光源相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的 主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心 理量）。,若已获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（ x00.3333，y0 0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。,45,纯度：样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示了该样品颜色的纯 度。在CIE1931色度图上

22、，在颜色主波长线上用参照光源 色度点到样品色度点的距离与参照光源色度点到光谱色色度 点的距离之比来表示纯度。颜色的纯度和人眼观测到的颜色 饱和度基本一致。45（色纯度（CSCO）100）,46,色温Tc：光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的 颜色相同时，称黑体的温度（TC）为光源的色温度。为 了求得光源的色温，需要先求得它的色度坐标，然后在色 度图上由CIE1960UCS推导的ISO色温线求取色温。,47,温度参数分析 概述：温度对PN结的复合发光是有影响的. 温度升高 发光强度降低 发光效率显著降低 主波长的偏移（每升高10，主波长增加1nm） 电阻值变化（升高或降低10 ，阻值变化1%） 电容使用时间下降（每升高10，使用时间下降一半） 结电极 电流的增大,直至晶体管损坏,48,综合测试仪器展示 LED电脑测试仪 LED光电参数测试仪 LED老化板 LED测试盒,49,标准机构