中國光學光電子行業協會光電器件專業分會根據國內及行業內部的實際情況,初步制定了行業標準"發光二極管測試方法".本文敘述了與發光二極管測試有關的術語和定義,在此基礎上,詳細介紹了測試方法和測試裝置的要求.
本文涉及的測試方法適用于紫外/可見光/紅外發光二極管及其組件,其芯片測試可以參照進行。
2 術語和定義
2.1發光二極管 LED
除半導體激光器外，當電流激勵時能發射光學輻射的半導體二極管。嚴格地講，術語LED應該僅應用于發射可見光的二極管;發射近紅外輻射的二極管叫紅外發光二極管(IRED,Infrared Emitting Diode) ;發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光二極管;但是習慣上把上述三種半導體二極管統稱為發光二極管。
2.2光軸 Optical axis
最大發光(或輻射)強度方向中心線。
2.3正向電壓VF Forward voltage
通過發光二極管的正向電流為確定值時，在兩極間產生的電壓降。
2.4反向電流IR Reverse current
加在發光二極管兩端的反向電壓為確定值時，流過發光二極管的電流。
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，在兩極間所產生的電壓降。
2.6總電容C Capacitance
在規定正向偏壓和規定頻率下，發光二極管兩端的電容。
2.7開關時間 Switching time
涉及以下概念的最低和最高規定值是10%和90%，除非特別注明。
2.7.1開啟延遲時間td(on) Turn-on delay time
輸入脈沖前沿最低規定值到輸出脈沖前沿最低規定值之間的時間間隔。
2.7.2上升時間tr Rise time
輸出脈沖前沿最低規定值到最高規定值之間的時間間隔。
2.7.3開啟時間ton Turn-on time
器件所加輸入脈沖前沿的最低規定值到輸出脈沖前沿最高規定值之間的時間間隔
ton= td(on)+tr
2.7.4關閉延遲時間td(off) Turn-off delay time
器件所加輸入脈沖后沿的最高規定值到輸出脈沖后沿最高規定值之間的時間間隔
2.7.5下降時間tf Fall time
輸出脈沖后沿最高規定值到最低規定值之間的時間間隔(見圖1)。
圖1 開關時間 延遲時間
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2.7.6關閉時間toff Turn-off time
器件所加輸入脈沖后沿的最低規定值到輸出脈沖后沿最低規定值之間的時間間隔。
toff =td(off)+tf
2.8光通量Φv Luminous flux
通過發光二極管的正向電流為規定值時，器件光學窗口發射的光通量。
2.9輻射功率Φe Radiant power
通過發光二極管的正向電流為規定值時，器件光學窗口發射的輻射功率。
2.10輻射功率效率ηe Radiant power efficiency
器件發射的輻射功率 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：在與其它術語不會混淆時，可簡稱為輻射效率 (Radiant efficiency)。
2.11光通量效率ηv Luminous flux efficiency
器件發射的光通量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：在與其它術語不會混淆時，可簡稱為發光效率(Luminous efficiency)。
2.12發光(或輻射)空間分布圖及相關特性
2.12.1發光(或輻射)強度Iv Luminous(or Radiant) intensity
光源在單位立體角內發射的光(或輻射)通量，可表示為Iv =dΦ/dΩ。發光(或輻射)強度的概念要求假定輻射源是一個點輻射源，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。把這種情況稱為遠場條件。然而在許多應用中，測量LED時所用的距離相對較短，源的相對尺寸太大，或者探測器表面構成的角度太大，這就是所謂的近場條件。此時，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的平方計算得到。
I=Φ/Ω=Φ/(S/d2)
CIE推薦標準條件A和B(見7.2.1.2)來測量近場條件下的平均LED強度,可以分別用符號ILED A和ILED B來表示,用符號ILED Ae和ILED Av分別表示標準條件A測量的平均LED輻射強度和平均LED發光強度。
2.12.3發光(或輻射)強度空間分布圖 Luminous(or Radiant)diagram
反映器件的發光(或輻射)強度空間分布特性(見圖2)：
Iv(或Ie)=f(θ)
圖2 輻射圖和有關特性
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注1：除非另外規定，發光(或輻射)強度分布應該規定在包括機械軸Z的平面內。
注2：如果發光(或輻射)強度分布圖形有以Z軸為旋轉對稱特性，發光(或輻射)強度空間分布圖 僅規定一個平面。
注3：如果沒有以Z軸為旋轉對稱特性，各種角度θ的發光(或輻射)強度分布應有要求，X、Y、Z方向要求可有詳細規范定義。
2.12.4半強度角θ1/2 Half-intensity angle
在發光(或輻射)強度分布圖形中，發光(或輻射)強度大于最大強度一半構成的角度(見圖2)。
2.12.5偏差角Δθ Misalignment angle
在發光(或輻射)強度分布圖形中，最大發光(或輻射)強度方向(光軸)與機械軸Z之間的夾角(見圖2)。
2.13光譜特性
2.13.1峰值發射波長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，各個波長的輻射功率分布情況。
3 最大額定值
3.1 最低和最高儲存溫度(Tstg )
3.2 最低和最高工作環境溫度或管基溫度(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℃環境或管基溫度時的最大連續正向電流(IF )和減額定值曲線或減額定值系數。
3.5 在適當地方，在規定脈沖條件下，在25℃環境或管基溫度時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 試驗條件
除非另有規定，器件的光電參數測試應按本標準規定試驗條件進行。
5.1.1 標準大氣條件
溫度：15℃～35℃
相對濕度：20%～80%
氣壓：86kPa～106kPa
5.1.2 仲裁試驗的標準大氣條件
溫度：25℃±1℃;
相對濕度：48%～52%;
氣壓：86kPa～106kPa
5.1.3 環境條件
a) 測試環境應無影響測試準確度的機械振動和電磁干擾;.
b) 除非另有規定，器件全部光電參數均應在熱平衡下進行;
c) 測試系統應接地良好。
5.2 參數要求
除非另有規定，器件測試應采取預防措施和保持下述公差。雖然在有關文件中規定的測試條件嚴于下述公差，但在一般情況下，應遵循下述規定的條件。
a) 偏置條件應在規定值的±3%以內;
b) 輸入脈沖特性，重復頻率和頻率等的誤差應在±10%以內;
c) 測量開關參數的誤差應在±5%以內;
d) 測量直流電參數誤差不大于±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) 測量半強度角誤差不大于10%;
h) 測量發光強度誤差不大于25%。
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強度
--方法2002 半強度角和偏差角
--方法2003 光通量和發光效率
--方法2004 輻射通量和輻射效率
--方法2005 峰值發射波長，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 開關時間
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器件在規定正向工作電流下，兩電極間產生的電壓降。
6.1.1.2 測試框圖(見圖3)
圖3 方法1001測試框圖
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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，并使儀器預熱;
b) 調節恒流源，使電流表讀數為規定值，這時在直流電壓表上的讀數即為被測器件的正向電壓。
6.1.1.4 規定條件
環境或管基溫度;
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定值時，在兩電極之間產生的反向電壓。
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，并使儀器預熱。
b) 調節穩壓電源，使電流表讀數為規定值，這時在直流電壓表上的讀數即為被測器件的反向電壓。
6.1.2.4 規定條件
環境或管基溫度;
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器件施加規定的反向電壓時產生的反向電流。
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，并使儀器預熱。
b) 調節穩壓電源，使電壓表讀數為規定值，這時在直流電流表上的讀數即為被測器件的反向電流。
6.1.3.4 規定條件
環境或管基溫度;
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器件施加規定的正向偏壓和規定頻率的信號時，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
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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，并使儀器預熱;
b) 調節電壓源和調節電容儀，分別給被測LED器件施加規定的正向偏壓和規定頻率的信號，將電容儀刻度盤上讀數扣去電容C0等效值即為被測LED器件總電容值。
6.1.4.4 規定條件
環境或管基溫度;
正向偏置電壓;
電容儀提供規定頻率的信號。
6.2 2000類 光特性測試方法
6.2.1 方法2001：平均LED強度
6.2.1.1 目的
測量半導體發光二極管平均LED強度。
6.2.1.2 測試框圖(見圖7)
圖7 方法2001測試框圖
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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：調整被測LED器件使它的機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射的光譜波長范圍內應該校準到CIE(國際照明委員會)標準光度觀測者光譜曲線;測試輻射參數時應采用無光譜選擇性的光探測器。 測試系統應該按距離d和光闌D1用標準器校正。測量距離d應按CIE推薦的標準條件A和B設置。在這兩種條件下,所用的探測器要求有一個面積為100mm2(相應直徑為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)
標準條件A 316mm 0.001sr 2o
標準條件B 100mm 0.01sr 6.5o
注3：對于脈沖測量，電流源應該提供所要求的幅度，寬度和重復率的電流脈沖。探測器上升時間相
對于脈沖寬度應該足夠小，系統應該是一個峰值測量儀器。
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定的電流，在光度測量系統測量平均LED強度。
6.2.1.4 規定條件
環境溫度和合適的大氣條件;
正向電流和，需要的話，寬度和重復率;
6.2.2 方法2002：半強度角和偏差角
6.2.2.1 目的
測量半導體發光二極管在規定的工作電流下的平均LED強度的空間分布和半最大強度角及偏差角。半強度角 θ1/2是發光(或輻射)強度大于等于最大強度一半構成的角度(見圖8)，在平均LED強度分布圖形中，最大強度方向(光軸)與機械軸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
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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應該設置為CIE標準條件A或B;
注2：對于脈沖測量，電流源應該提供所要求的幅度、寬度和重復率的電流脈沖，探測器上升時間相
對于脈沖寬度應該足夠小，系統應該是一個峰值測量儀器;
注3：被測LED定位在一種裝置上(如：旋轉中心位于系統光軸上的角度盤上，度盤應該有足夠的角
度刻度精度)，要求：
--被測LED器件位置可精確再現;
--變化角度θ、器件D光學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;
--能測量關于X軸的旋轉角。
6.2.2.2 測量步驟
a) 給被測器件加上規定的工作電流。調正被測器件D的機械軸與光探測器軸重合，即θ=0，測量光探測器的信號，把這個值設置為 I0=100%;
b) 從0-±90°旋轉度盤，光電測量系統測量各個角度時的發光強度值，得到相對強度I /I0 與θ之間的關系，優先采用極坐標圖來表示，其它形式，如直角坐標圖，在空白詳細規范中定義后可以使用。在該圖上分別讀取半最大強度點對應的角度θ1 θ2 ，半強度角Δθ=|θ2 -θ1 |。偏差角就是Imax 和I0 方向之間的夾角。
6.2.2.3 規定條件
環境和管基溫度;
規定正向電流IF 或者輻射功率Φe;
機械參照平面。
6.2.3 方法2003:光通量和發光效率
6.2.3.1 目的
測量被測LED器件在規定條件下的光通量和發光效率。
6.2.3.2 測試框圖(見圖9)
圖9 方法2003測試框圖
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圖9 方法2003測試框圖
注1：被測LED器件發射的光輻射經積分球壁的多次反射，導致產生一個均勻的與光通量成比例的面出光度，一個位于球壁的探測器測量這個面出光度，一個漫射屏擋住光線，不使探測器直接照射到被測器件的光輻射;
注2：被測器件、漫射屏、開孔的面積和球面積比較應該相對較小，球內壁和漫射屏表面應有均勻的高反射率漫反射鍍層(最小0.8)。球和探測器組合應該校準，應該考慮到峰值發射波長和光通量由于功率消耗產生的變化。
注3：也可以用變角光度計測量。
6.2.3.3 測量步驟
被測量器件放在積分球入口處，不要使光線直接到達探測器。給被測器件施加規定的正向電流IF ，光度探測系統測量出光通量。將光通量數值除以正向電流IF 和正向電壓VF 的乘積值即為發光效率。
6.2.3.4 規定條件
環境和管基溫度;
正向電流。
6.2.4 方法2004：輻射通量和輻射效率
6.2.4.1 目的
測量被測LED器件在規定條件下的輻射通量(功率)和輻射效率。
6.2.4.2 測試框圖(見圖10)
圖10 方法2002測試框圖
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圖10 方法2002測試框圖
注：被測LED器件發射的光輻射經積分球壁的多次反射，導致產生一個均勻的與輻射通量成比例的面輻射出射度，一個位于球壁的探測器測量這個面輻射出射度，一個漫射屏擋住光線，不使探測器直接照射到被測器件的光輻射。被測器件、漫射屏、開孔的面積和球面積比較應該相對較小，球內壁和漫射屏表面應有均勻的高反射率漫反射鍍層(最小0.8)。球和探測器組合應該用輻射標準進行校準,測量單位為瓦特。應該考慮到峰值發射波長和輻射通量由于功率消耗產生的變化。
6.2.4.3 測量步驟
被測量器件放在積分球入口處，不要使光線直接到達探測器，給被測器件施加規定的正向電流IF，輻射探測系統測量出輻射通量，將輻射通量數值除以正向電流IF 和正向電壓VF 的乘積值即為輻射效率。
6.2.4.4 規定條件
環境和管基溫度;
正向電流。
6.2.5 方法2005：峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布
6.2.5.1 目的
在規定正向工作電流下，測量被測LED器件的峰值發射波長，光譜輻射帶寬和光譜功率分布。
6.2.5.2 測試框圖(見圖11)
圖11 方法2005測試框圖
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D：被測LED器件;
G：電流源;
L：聚焦透鏡系統;
G：電流源(直流或脈沖);
D2,D3：消除雜散光光欄;
M：單色儀;
RM：包括光闌D1的輻射探測系統。
注：單色儀的波長分辨率和帶寬應該使測試有合適的精度。輻射探測系統的光譜響應應該校準。為便于測量，曲線峰值可以用100%表示。如果單色儀的光譜透過率和輻射探測系統的光譜靈敏度不是常數，記錄的測量數據應該修正。
6.2.5.3 測量步驟
在需要的光譜范圍內調整單色儀的波長直到輻射測量系統獲得最大讀數， 相應的波長就是峰值波長 (λp )，然后往λp 的兩邊調整單色儀的波長直到峰值波長讀數的一半，獲得相對應的波長λ1 和λ2 ，兩者之差就是光譜輻射帶寬(見圖12)。按照要求的波長間隔分別測量記錄每個波長時的光譜功率數值，即為光譜功率分布。
圖12 光譜分布帶寬
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6.2.5.4 規定條件
環境和管基溫度;
規定的正向電流(直流或脈沖)。
6.3 3000類：光電特性測試方法
6.3.1 方法3001: 開關時間
6.3.1.1 目的
測量被測LED器件的開啟時間ton (開啟延時時間td(on) +上升時間tr )和關閉時間toff (關閉延時時間td(off) +下降時間tr )。
6.3.1.2 測試框圖(見圖13)
圖13 方法3001測試框圖
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D：被測LED器件;
G1：高阻電流脈沖發生器;
G2：直流電流偏置電源;
G3：直流電壓偏置電源;
Rd: 匹配發生器阻抗的電阻;
RL: 負載電阻;
M：測量儀器;
PD：光電二極管;
Syn：同步信號。
注：光電二極管的開關時間，實驗電路和測量儀器的延遲時間，輸入電流脈沖的上升時間和下降時間都應該足夠短以保證不影響測量精度。在光脈沖頂部獲得的平均輸出功率(見圖1)沒有必要等于直流偏置電流與輸入脈沖電流之和時的連續輻射功率。
6.3.1.3 測量步驟
把規定的直流和脈沖電流加到被測器件，用測量儀器M測量開關時間。100%的輻射輸出功率電平就是輻射脈沖頂端獲得的平均輸出功率。0%電平是在直流偏置電流時的輸出功率。
6.3.1.4 規定條件
環境和管基溫度;
直流偏置電流;
光學窗口;
光學結構。
7 量值傳遞
發光強度是LED器件主要光參數，由于有些LED非點光源且各向異性，在近場條件下,LED光度測試過程中會產生很多誤差。因此CIE推薦用LED平均強度的概念來作為LED發光強度測量的基礎.目前最好的LED測試技術是將被測LED和在光譜和空間功率分布與其盡可能接近一致的參照標準樣管進行比對測試.發光強度測試儀器和參照標準樣管的標定和校準必須采用統一的方法和基準。
8.1 原理
發光強度的單位是坎德拉(candela，符號為cd)，它是國際單位制的七個基本單位之一。1979年前世界上只有9個國家建立了光強基準，我國很早就建立了光度基準和2856K色溫的光強度工作基準。因此，確定由國家或省(市)級法定計量測試部門標定的2856K光強標準燈作為發光強度傳遞的工具。
8.2 方法
a)用色溫為2856K的光強標準燈對LED測試系統進行校準和標定。
b)用具有CIE標準光度觀測者光譜響應的光電探測器分別對專門挑選的LED器件和色溫為2856K的光強標準燈進行比對測試，對不同光譜功率分布的LED器件求得他們的光譜修正系數(SCF,Spectral correction factor),從而把標準燈光強數值傳遞到LED器件上，以此作為LED光強參照標準樣管.但是作為參照標準樣管的LED器件必須有嚴格的要求。它們主要是：
--優良的穩定性，必須進行嚴格的篩選和老化,必須規定最少老化時間;
--采用光軸和機械軸重合的LED器件作參照樣管.或采用光強(輻射)分布圖形近似為圓形的器件。
--參照標準樣管工作時,必須使其在恒定的溫度和驅動電流(20mA)下工作,保證其有一個恒定的光學輸出.
c)建立專門實驗室進行仲裁性測試和各種參照標準樣管的定標。
附錄1. 基本輻射度量和光度量
1. 輻射度量
1.1 輻射能Qe radiant energy
以輻射的形式發射,傳輸和接收的能量,單位為J(焦耳)。
1.2 輻射通量Φe radiant flux
輻射通量又常稱為輻射功率(radiant power)Pe ,是輻射源發射,傳輸和接收的功率.單位為瓦(W),如以t表示時間,輻射通量定義為
Φe =dQe/dt
1.3 輻射強度Ie radiant intensity
輻射強度定義為在給定方向上的立體角元內,離開點輻射源(或輻射源面元)的輻射通量dΦe與該立體角元 dΩ的比值.單位為瓦/球面度(W/sr ).
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