Led半导体的检测与分析

1、不同功率LED参数测试与分析摘要本文的重点是大功率LED测试及分析。大功率LED的电参数和光参数，是通过测其光谱图和相应参数随电流的变化曲线图，然后再对其相关特性进行分析的。从分析中进一步加深对LED电参数和光参数等方面知识了解和认识。进而了解这些参数随电流的变化情况，如正向电压（VF）、光通量（）、色温（Tc）等一系列参数的相应变化过程。测量和掌握LED的光电特性及外界因素对光电特性的影响，是正确使用大功率LED的基础将有助于更好大功率LED在照明方面合理应用，提高大功率LED的效率。关键词：LED结构，发光原理，电参数，光参数，VF，功率，光通量，色温，应用领域AbstractThe fo

2、cus of this paper is high power LED testing and analysis. The electrical and optical parameters of high-power leds are analyzed by measuring their spectra and the curves of the corresponding parameters changing with the current. From the analysis to further deepen the LED electrical parameters and o

3、ptical parameters and other aspects of knowledge and understanding. To understand these parameters with the change of electric current, such as forward voltage (VF), luminous flux (), color temperature (Tc) and a series of process parameters to the corresponding change. Measuring and mastering the p

4、hotoelectric characteristics of LED and the influence of external factors on the photoelectric characteristics are the basis for the correct use of high-power LED, which will contribute to the rational application of high-power LED in lighting and improve the efficiency of high-power LED.Keywords: L

5、ED structure, luminescence principle, electrical parameters, optical parameters, VF, power, luminous flux, color temperature, application field目录前 言 4一、LED的基础知识51.1 LED的结构及发光原理5 1.1.1 LED的结构5 1.1.2 LED的发光原理61.2 LED的基本参数7 1.2.1 LED的电参数7 1.2.2 LED的光学参数81.3 大功率LED 13二、LED光色电参数的测量142.1 大功率LED电参数测试142.1.

6、1 正向电流和正向电压的测试17 2.1.2 功率-电流变化曲线测试 18 2.2 大功率LED光参数试19 2.2.1 光通量的测量19 2.2.2 色温的测量21 2.3 大功率白光LED分析22三、LED的应用领域24四、总结 25五、参考文献 26六、附图：实验设备及测试LED灯27前言在21世纪，大功率LED照明技术的发展，引起了国内外光源界的普遍关注，现已成为有发展和影响力的一项高新技术。随着LED照明技术的不断创新和发展，大功率白光LED相对于传统的白炽灯、荧光灯、节能灯、高压气体灯等传统的照明光源，具有节电、使用寿命及反应速度快等诸多优点，本论文将对大功率LED参数进行测试与分

7、析，介绍LED的基本知识如：LED结构及原理、LED的电参数、LED的光参数等，并通过对测试结果进行分析，分析一些主要的参数如：正向电压与正向电流变化曲线、光通量与正向电流的变化曲线、色温与正向电流变化曲线等，从分析中进一步加深对LED知识的了解，明白了一些变化过程。由于时间有限，实验条件有限，加之自己的水平有限，可能有些分析不够全面，还望老师指出，以便修正。一 LED基础知识1.1 LED的结构及发光原理1.1.1 LED的结构 LED是发光二极管( Light Emitting Diode, LED)的简称，是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性，其核心部分是PN结。 图1-

8、1 LED结构示意图 LED器件的制造目的是为了得到光，所以它的结构和普通半导体二极管并不一样，其结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED的结构示意图如图11所示 。 从图中可以看出LED主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。1)、支架： 支架的作用：用来导电和支撑 。 支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。2）、银胶： 银胶的作用：固定晶片和导电的作用。 银胶的主要成份：银粉占75-80%、EPOXY（环氧树脂）占10-15%、添加剂占5-10%。 银胶的使用：冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后，银粉。

9、会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。3）、晶片 晶片的作用：晶片是LED Lamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。 晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。4）、金线： 金线的作用：连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。 金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil。5）、环氧树脂： 环氧树脂的作用：保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。 图1-2 LED的发光原理 1.1.2

10、 LED的发光原理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。PN结根据其端电压构成一定的势垒：当加正向偏置时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。 半导体可分为直接跃迁和间接跃迁两种。LED大都采用直接跃迁材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率：反之，采用间接跃迁材料，其效率就低一些。1.2 LED的基本参数LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件，它具备PN结结型器件的电

11、学参数特性（I-V特性、C-V特性）和光学特性等。图1-3 LED的I-U特性1.2.1 LED的电参数（1）LED的I-U特性图13所示为LED工作的I-U特性图。发光二极管具有与一般半导体二极管相似的输入伏安特性曲线，下面分别就对图中所示的各段进行说明。 l OA段：正向死区 VA为开启LED发光的电压。红色（黄色）LED的开启电压一般为0.20.25V,绿色（蓝色）LED的开启电压一般为0.30.35V。l AB段：工作区 在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小

12、，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。 l OC段：反向死区 发光二极管加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流通常很小，一般在几A之内。在19901995年，反向电流定为10A，19952000年为5A；目前一般是在3A以下，但基本上是0A。 l CD段：反向击穿区 发光二极管的反向电压一般不要超过10V，最大不得超过15V。超过这个电压，就会出现反向击穿，导致LED报废。 （2）LED的电学指标对于LED器件，一般常用的电学指标有以下几项。u 正向电压VF：LED正向电流在20mA时的正向电压。u 正向电流 IF：对于小功率LED，目前全世界

13、一致定为20mA，这是小功率LED的正常工作电流。但目前出现了大功率LED的芯片，所以IF就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。u 反向漏电流IR：按LED以前的常规规定，指反向电压在5V时的反向漏电流。如上面所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率LED芯片尚未明确规定。u 工作时的耗散功率PD：即正向电流乘以正向电压。（3）LED的极限参数对于LED器件，一般常用的极限参数有以下几项：n 最大允许耗散功率Pmax=IFHVFH：一般按环境温度为25时的额定功率。当环 境温度升高，则LED的最大允许耗散功率将会下降。n 最大允许工作电流IFM：由最大允许耗散功率来确定。

14、参考一般的技术手册中给出的工作电流范围，最好在使用时不要用到最大工作电流。要根据散热条件来确定，一般只用到最大电流IFM的60%为好。n 最大允许正向脉冲电流IFP：一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的。1.2.2 LED的光参数 人眼对自然界光的感知有两个方面：一是光的颜色，二是光的辐射强度。我们将从这两方面展开讨论，进而分析LED的各种光学指标。一、光的颜色的三种表示法 国际照明委员会色品图表示法、光的颜色鲜艳度、色温或相关色温。下面将逐一对其进行介绍。(1）国际照明委员会色品图表示法 国际照

15、明委员会（CIE）于1931年研究提出了XYZ色品图，1960年又在XYZ色品图的基础上提出了UCS色品图。图1-4 CIE1931色品图 CIE于1931年在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色品图，如图1-4所示。该图是归一化图，只要标示X、Y值，就可以知道Z的值（Z=1-（X+Y），因而三变量的色品图就变成X、Y二变量的平面图。 （2）光的颜色鲜艳度 光的颜色鲜艳度必须用光的主波长d和色纯度来表示。目前，LED芯片供应商都是用主波长d来表示鲜艳度，而不用峰值波长p来表示。主波长d：如图1-5所示为色品图，图中AB为黑体轨迹。设F

16、点为某一光源在色品图中的坐标，E点为理想等能量白光的参考光源点，在色品图标中为(0.3，0.3)。峰值波长p：光谱发光强度或辐射功率最大处的对应的波长。它是一种纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。中心波长：光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半宽度的中心点所对应的波长。一般应用于配光曲线法向方向附近凹进去的、质量不好的单色管的检测。色纯度Pe：如图所示，Pe=EF/EG。如果某一光源在色品图中F点的坐标越靠近G点，那么EF和EG的长度就越接近相等，Pe越接近1，色纯度就越高。图1-5 CIE1931色品图半宽度：光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度（FWHM），简称

17、“带宽”。带宽越小则颜色越纯，显然它也是纯粹的物理量。 （3）色温或相关色温 白光在照明领域的使用，一般用色温或相关色温表示（有时也用色坐标表示）。光源的颜色有两方面的意思，即色表和显色性。 光源发光的颜色可用色温Tc表示。当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温度，简称色温。图1-6 不同颜色的色温一般情况下，人们把高色温称为冷色调，把低色温叫做暖色调。二、与光辐射强度有关的指标图1-7 相对视敏函数V（）曲线（1）相对视敏函数V（）曲线对于有不同p的光线，即使光功率一样，人眼感到的光强度仍是不一样。人眼对于p=555nm的绿光的灵敏度最高，

18、对该值两边波长的灵敏度越来越低。当p780nm时，即使光源的光能量辐射再强，人眼也对它没有任何光的感觉。（2）光通量 光通量是按人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。表征的符号为，国际通用的光通量单位为流明（lm）。 假设单色光的波长为i，则该波长的光通量F（i）就等于它的辐射功率P（i）与相对视敏函数V（i）的乘积，可参见式（1）：F（i）=P（i）V（i） （1）（3）流明效率 人眼受能见度限制，因此对于不同的p，光有不同的最高流明效率： 提高白光LED的光效，应考虑选用LED辐射的光波长和YAG荧光粉的光谱，当前YAG荧光粉有p =530

19、nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且带宽也不一样。 蓝光LED激发黄色YAG荧光粉形成白光时，虽然辐射出的蓝光能量有损失，但激发出黄光的最大流明比蓝光要高好几倍，所以人眼感觉的流明效率提高了。（4）发光强度I 光源在指定方向上的立体角d之内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量d，这二者的商即为发光强度I（单位为坎德拉，cd）：I=d/d （2）1 cd=1 lm/sr（流明/立体弧度）=1 烛光 若光源向空间发射的总光通量为，因光源总立体角度为4，则平均光强I =/4。实际光强在空间各个方向的分布是不均匀的，空间光强分布的曲线称为配光曲线。（5）亮度L 光源发光面上某点

20、的亮度L（单位为cd/m2），等于垂直于给定方向的平面上所得到的发光强度与该正投影面积之商，即L=dI/dScos （4） 单位为尼特（nt），1nt=1 烛光/m2=1 cd/m2 。 若光源射来的光线与测量面垂直，则cos=1。对于理想平面漫反射光源，若光源面积为S，向上空发射的光通量为，则有光强I=/2（因为向上发射，所以只有2）：L=I/S=/2S （5）（6）照度E 光源的照度E（单位为勒克斯，1x；1 1x=1 1m/m2）即光源照到某一物体表面上的光通量d与该表面积dS之商，表示为 E=/S （6）对于点光源，若在某一方向上光强为I，则距离r处的照度为 E=I/r2 (7)即照度

21、与光源距离的平方成反比。（7）半强角度半强角度即以前所说的半值角，就是光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角图1-8 光源的半强角度1.3 大功率LED任何事物都是由小到大、由弱到强发展，LED芯片也是如此，在相当长的时间里，LED芯片的电流一直保持在20mA。对于红色和黄色LED，其电压为1.92.1V：对于绿色和蓝色LED，其电压为3.03.6V。从消耗功率来讲，通常把毫瓦级LED称为小功率LED，把瓦级LED称为大功率LED。目前常见的大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸模组两种，如图1-9、1-10所示。 图1-9 单芯片图1-10 多芯片二 大功率LED

22、光电特性测试与分析2.1 大功率LED电参数测试 一般将功率大于0.5W的LED称为大功率LED。大功率白光LED诞生于20世纪90年代末，具有发光效率高、启动快、显色性好、寿命长、节能、环保等优点，将取代白炽灯、荧光灯等传统光源而成为21世纪的绿色光源，测量和掌握LED的光电特性及外界因素对光电特性的影响，是正确使用大功率LED的基础。【实验目的】 1.了解大功率白光LED的工作原理与光电特性。 2.掌握大功率白光LED发光强度、发光效率、光强分布等参数的测量方法。3.研究大功率白光LED在恒压驱动与恒流驱动下的温度特性。【实验仪器】 积分球-光谱分析仪系统（附图一、二、三、四、五）：0.3

23、m/0.5专用积分球、LED520LED光强分布测试仪、WY系列精密数显直流稳流稳压电源。【实验待测的灯】Luxeon系列大功率LED，是将AlGaInN功率型芯片倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与外壳中，键合引线后进行封装。这种封装对于取光效率、散热性能、加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14摄氏度/瓦，只有常规的LED的1/10；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40120摄氏度范围，不会因温度聚变产生的内应力，使金线与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样

24、可控和光学效率最高。另外，其输出光效率、光量子效率等性能优异，将LED固体光源提升到一个崭新的水平。 图2-2 Emitter式封装的LED 图2-1 SMD式封装的LED【测试主要原理】大功率LED的电参数和光参数常用积分球-光谱分析仪系统测试。使用积分球来测量光通量(Lumen)时，可使得测量结果更为可靠，积分球可降低并除去由光线的形状、发散角度、及探测器上不同位置的响应度差异所造成的测量误差。积分球的基本原理是光通过采样口进入积分球，经过多次反射后非常均匀地散射在积分球内部。积分球与光谱仪搭配，将积分球的光输出孔通过光纤连接到光谱仪的入射口，并通过计算机测试出来，使得测量的再现性大幅的提

25、高。这种测量方式被广泛的应用于LED测量和各种灯具的测量中。 积分球校准完后，把待测的大功率LED灯放进积分球中（由于软件设置为自动调整正负极，所以放置中不用担心正负极是否放错了），确定放置无误后，检查系统接线是否有接错，然后接通积分球-光谱仪系统的电源，并打开计算机软件，便可进行测试。【测试条件】 室内温度251，测试电流设置为250mA，截止电流为300mA，测试时间1min。测试结果如下： 图2-4 SMD式封装大功率黄光LED光谱图 图2-3 SMD式封装大功率白光LED光谱图 图2-6 Emitter式封装大功率白光LED光谱图 图2-5 SMD式封装大功率红光LED光谱图 以上几幅

26、图是这实验测试出来的光谱图，从图中可以得到LED的一些参数如：正向电压（VF）、正向电流（IF）、光通量（）、色温（Tc）、主波长（d）、色纯度（Purity）、峰值波长（p）、半宽度（d）等。下面就一些参数测试结果进行分析。 2.1.1 正向电流和正向电压的分析 LED具有与一般半导体二极管相似的输入伏安特性曲线。根据实验中的测试结果，对正向电流-正向电压变化曲线进行分析，其测试结果如下：（1） SMD式封装两种不同出光颜色的大功率LED 图 2-8 红光正向电压 图2-7 白光正向电压图2-10 Emitter式封装大功率白光LED图2-9 SMD式封装大功率白光LED（2） 相同发光颜色

27、两种不同封装大功率LED 图2-9、2-10是相同发光颜色不同封装的LED，从测试的结果可以看出不同封装的正向导通电压值也不同。对于白光LED，SMD式封装的正向导通电压为2.8V，Emitter式封装正向导通电压为3.0V，Emitter式封装的正向导通电压会比较大些。所以不同封装的大功率LED灯的电流-电压也是有差别的，但差别比较小。2.1.2 功率-电流变化曲线测试 通过了对正向电压与正向电流的分析，可以知道为什么要用恒流驱动原因。那么功率和电流变化曲线对LED又有何影响呢？，现在就对功率-电流变化曲线进行分析，下面是这次实验中的测试结果：（1）SMD式封装两种不同出光颜色的大功率LED

28、从测出来的光谱图中可知正向导通电压，即白光VF为3.34v，黄光VF为3.465v，由于都是采用恒流250mA驱动，且功率=正向电压*电流，所以两者测出来的功率-电流变化曲线接近一样。2-13 白光和黄光的功率电流变化曲线图2-11 白光功率-电流变化曲线图2-12 黄光功率-电流变化曲线2.2 大功率LED光参数测试 LED参数包括电学参数、光学参数及色度学参数，分析了一些电参数后，下面分析分析一些光参数在测试中变化。2.2.1 光通量的测量 以下是这次试验的测试截图，就这测试结果进行分析：（1） 封装结构相同（SMD式）但发光颜色不同的大功率LED图2-15 大功率黄光LED的光通量图2-

29、14 大功率白光LED的光通量 图2-14是大功率白光LED的光通量变化曲线，光通量随着电流的变化而变化，即光通量随着电流增加而增加，其变化曲线趋近是一条线性变化的直线，类似一次函数的变化（y=kX，x为自变量，y为函数值，k为常数，y是x的一次函数）。图2-16 相同封装不同发光颜色的大功率LED图2-15是大功率黄光LED的光通量变化曲线，光通量随着电流的变化而变化，但是变化曲线是非线性的。 图2-14、2-15是相同封装不同发光颜色的大功率LED的光通量变化曲线图。图2-16是将这两种光通量变化曲线放在同一张图表中。PN结是发光二极管的核心部分，在调节光通量方面具有一定的优势，电流增加后

30、，注入到发光区的电子和空穴数量增加，发生辐射复合的数量也会增加，器件的光通量增加。但当注入电流继续增加到某一值时，光通量输出不再增加，趋于饱和。由于空穴和电子的复合以光的形式辐射能量。从测试的结果可知：白光在一定范围的电流内光通量随电流的增加，其光通量值也比黄光的大。（2） 发光颜色相同但封装结构不同的大功率LED 图2-18 Emitter式封装图2-17 SMD式封装2.2.2色温的测量光源色温不同，光色也不同。色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3300-5300K为中间色温，有爽快的感觉。色温在5300K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境色温是人眼对发光体或

31、白色反光体的感觉，这是物理学.身理学与心理学的综合复杂因素的一种感觉，也是因人而异的。通过对不同大功率LED灯的测试，结果如下： 图2-21 SMD式封装黄光 图2-20 SMD式封装红光 图2-22 SMD式封装白光图2-23 Emitter式封装白光图2-20、2-21是SMD式封装大功率红光、黄光LED。从0mA到31mA，都是从一定色温降下来，红光从3036K降到1001K，黄光是从3346K降到1924K；而从31mA到300mA这段，红光一直保持在1000K，黄光却在1924K到1948K这段微小的波动。图2-22、2-23是不同封装的大功率白光LED。从0mA到31mA这段，都是

32、从一定的色温值开始随着电流做线性变化着，SMD式封装白光从3700K升到5965K，Emitter式封装白光从2900K升到5484K。图2-24是本次试验中SMD式封装大功率红光、黄光、白光及Emitter式封装白光LED测出来的数据做成得色温-电流变化曲线图，通过该图可以更加直接、明了看出色温随电流的变化。 图2-24 色温-电流变化曲线2.3 大功率白光LED分析此次测试中采用同一系列不同封装的大功率白光LED，在此主要对SMD式封装白光进行分析。蓝光LED+YAG荧光粉白光LED光谱图如图（2-25）所示，从这个测试结果的光谱图中包含以下主要参数如： 图2-25 SMD式封装大功率白光

33、LED光谱图v 颜色参数：色品坐标:x=0.3160 y=0.3258/u=0.2014 v=0.4671v 相关色温：Tc=6347K 主波长:d=485.9nm 色纯度: Purity=6.4%色比:R=13.7% G=83.3% B=3.0% 峰值波长:p=443.5nm 半宽度:d=19.3nmv 显色指数：Ra=70.0 R1 =71 R2 =72 R3 =70 R4 =72 R5 =72 R6 =63 R7 =76 R8 =63 R9 =-19 R10=32 R11=73 R12=42 R13=69 R14=83 R15=67v 光度参数：光通量 = 67.15 lm 光效 : 8

34、0.36 lm/W e = 212.7 mWv 电参数：正向电压 VF = 3.341 V 正向电流 IF = 250.0 mA 功率 P = 835.6 mW这些参数的显示有助于分析，可对白光的特性更加了解，以及可以更合理的对白光LED的运用。蓝光LED+YAG荧光粉白光LED光谱图，其中包括蓝光和黄光区域的峰值，但是在肉眼看来就是白色。这是因为白光是有不同波长的混合，所以白光不可能有一个特定的波长，而用色坐标来定义白光LED，即色坐标随着电流的增加而变化，如图（2-26）所示： 图2-27正向电流-正向电压变化曲线 图 2-26 色坐标-电流的变化曲线 从图（2-25）可以看到色彩的变化，x和y坐标的移动意味着色彩的改变，因为白光LED没有明确的波长。当正向电流高至31mA时，正向电压的变化很大（如图2-27所示）。白光LED要替代白炽灯进入商业照明并进入家庭照明必须提高白光的效率，要达到这