第4章-LED技術指標和測量方法

第六章LED的技術指標

和測量方法主要內(nèi)容LED的電學指標

LED的光學指標電-光轉(zhuǎn)換效率

LED的熱學指標

LED相關技術標準與發(fā)展動向12345

LED的電學指標11.

LED的I-V特性OA段：正向死區(qū)

VA為開啟LED發(fā)光的電壓。開啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs為1V，紅色GaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN為2.5V。AB段：工作區(qū)

在這一區(qū)段，一般是隨著電壓增加電流也跟著增加，發(fā)光亮度也跟著增大。但在這個區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何保護，當正向電壓增加到一定值后，那么發(fā)光二極管的正向電壓會減小，而正向電流會加大。如果沒有保護電路，會因電流增大而燒壞發(fā)光二極管。OC段：反向死區(qū)

發(fā)光二極管加反向電壓是不發(fā)光的（不工作），但有反向電流。這個反向電流通常很小，一般在幾μA之內(nèi)。在1990~1995年，反向電流定為10μA，1995~2000年為5μA；目前一般是在3μA以下，但基本上是0μA。CD段：反向擊穿區(qū)

發(fā)光二極管的反向電壓由于所用化合物材料種類不同，各種LED的反向擊穿電壓VC也不同，一般不要超過10V，最大不得超過15V。超過這個電壓，就會出現(xiàn)反向擊穿，導致LED報廢。1.

LED的I-V特性2.LED的電學指標對于LED器件，一般常用的電學指標有以下幾項：正向電壓VF：通過LED的正向電流為規(guī)定值時，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。發(fā)光二極管正向工作電壓VF一般在1.4~3V。在外界溫度升高時，VF將下降。正向電流IF：加載在LED兩端的正向電壓為規(guī)定值時，流過LED的電流。反向漏電流IR：按LED以前的常規(guī)規(guī)定，指反向電壓在5V時的反向漏電流。如上面所說，隨著發(fā)光二極管性能的提高，反向漏電流會越來越小，但大功率LED芯片尚未明確規(guī)定。工作時的耗散功率PD：即正向電流乘以正向電壓。3.LED的極限參數(shù)對于LED器件，一般常用的極限參數(shù)有以下幾項：最大允許耗散功率Pmax：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。當流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF×IF。最大允許工作電流IFM：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。一般只用到最大電流IFM的60%為好。最大允許正向脈沖電流IFP：一般是由占空比與脈沖重復頻率來確定。LED工作于脈沖狀態(tài)時，可通過調(diào)節(jié)脈寬來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如LED顯示屏就是利用這個手段來調(diào)節(jié)亮度的。反向擊穿電壓VR：所允許加的最大反向電壓，反向擊穿電壓通常不能超過20V。4.LED的其他電學參數(shù)

在高頻電路中使用LED時，還要考慮以下兩個因素：結(jié)電容Cj響應時間：上升時間tr，下降時間tf

當LED接在高頻電路中使用時，要考慮到結(jié)電容和上升、下降時間，否則LED無法正常工作。響應時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都達到10-6~10-7S（us級）。響應時間①響應時間從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間，即圖中tr、tf。圖中t0值很小，可忽略。②響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED的點亮時間——上升時間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。

LED熄滅時間——下降時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的LED響應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應時間＜10-9S，GaP為10-7S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統(tǒng)。

LED的光學指標2

發(fā)光強度（LuminousIntensity）：定義：點光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，也可解釋為在一定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。符號：,單位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉（cd）;

其中：

坎德拉（cd）是國際單位制（SI）的基本單位，等于一個發(fā)射頻率5.4X1014Hz的單色光，輻射強度為1/683(W/sr)的光源的發(fā)光強度。注意：發(fā)光強度的概念不能直接應用于不可看作為點光源的眾多光源。1.發(fā)光強度

在光度學物理量的基本定義中都要引用到立體角這一概念，而且立體角在照明計算中也經(jīng)常用到。lαAoB(a)sAA＇r(b)orΩα=

Ω=

平面角和立體角

發(fā)光強度I：光源在指定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，是光通量的立體角密度發(fā)光強度，簡稱光強。發(fā)光強度是表示光源發(fā)光強弱程度的物理量，單位：坎德拉（cd)，其具體表達式為：I=φ/ω。它表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。若光源向空間發(fā)射的光通量為Φ，由于光源總立體角為4π，則平均光強為Iθ=Φ/4π。ω02發(fā)光峰值波長λp及其光譜分布LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。

LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。1藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O4紅外GaAs5Si光敏光電管

6標準鎢絲燈上圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED光譜分布曲線：①是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp=460～465nm；②是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰λp=550nm；③是紅色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰λp=680～700nm；④是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰λp=910nm；⑤是Si光電二極管，通常作光電接收用。

峰值波長λp:上述分析可知，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。它是一種純粹的物理量，一般應用于波形比較對稱的單色光檢測。譜線寬度(FWHM:Fullwidthathalfmaximum)：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度，簡稱半寬度或帶寬。半寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)，LED半寬小于40nm。主波長λd：指人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。單色性越好，則λp也就是主波長。

2發(fā)光峰值波長λp及其光譜分布V(λ)x1x2λp峰值波長λp及譜線寬度

對主波長的進一步解釋：任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與一個參照光源（如CIE標準光源A、B、C等，等能光源E，標準照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色，這個光譜色就是顏色的主波長。顏色的主波長相當于人眼觀測到的顏色的色調(diào)（心理量）。若已獲得被測LED器件的色度坐標，就可以采用等能白光C光源（x0＝0.3333，y0＝0.3333）作為參照光源來計算決定顏色的主波長。計算時根據(jù)色度圖上連接參照光源色度點與樣品顏色色度點的直線的斜率，查表讀出直線與光譜軌跡的交點，確定主波長λd。2發(fā)光峰值波長λp及其光譜分布V(λ)主波長示意圖S點光源的主波長λd為左圖中O點所對應的單色光波長。（C點為等能量白光的參考光源點）色純度Pe：如圖所示Pe=CS/CO。色純度范圍一般在：0-1之間。中心波長：光譜的發(fā)光強度或輻射功率最大處所對應的波長。色溫或相關色溫Tc：高色溫稱為冷色調(diào)，低色溫叫暖色調(diào)。顯色指數(shù)Ra：最大為100.不同材料的LED的發(fā)光主波長3光通量Φ

光通量是指單位時間內(nèi)輻射能量的大小，它是根據(jù)人眼對光的感覺來評價的。光通量的實質(zhì)是表征光源輻射能量的能力，是光度量概念中最基本的物理量，單位為流明（lm）。光通量Φ是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。Φ為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。

LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。4亮度發(fā)光體在給定方向上單位投影面積上發(fā)射的發(fā)光強度稱為亮度，用符號L表示，單位為坎/米2（cd/m2）。5.照度物體的照度不僅與它表面上的光通量有關，而且與它本身表面積的大小有關，即在單位面積上接收到的光通量稱為照度，用符號E表示，單位為勒克斯（lx）。照度是表征被照物接受光通強弱的物理量。常用光度學單位及其相互關系ΦvEvIvΦv=Ev·SΦv=Iv·ΩIv=E·L2光通量Φv（lm）光強Iv（cd）照度Ev（lx）

常用的光度測量定律a)照度的平方反比定律

Ev=

I

垂直于光線傳播方向的照度與光源在該方向的光強成正比，與光源到表面的距離的平方成反比。

注意：只有點光源才符合距離平方反比定律。(測試距離不應少于燈具出光口面最大尺寸的10倍。)

b)照度的余弦定律：S1面：E1==；S2面：E2=

；

∵S1=S2cosθ∴

顯而易見：E2=E1cosθ

將它與照度的平方反比定律結(jié)合起來就有：c)余弦立方定律E=

·

cosθ=·

cos3θ

式中：I—點光源射向該點的光強；

h—光源離該平面的高度；

θ—平面法線與入射光線的夾角；

—

OA長度。6.半強度角半強度角：就是光源中心法線方向向四周張開，中心光強I到周圍的I/2之間的夾角，即為半強角度。θI法線I/2I/2光源光源的半強度角

電-光轉(zhuǎn)換效率3電-光轉(zhuǎn)換效率

光功率效率：

發(fā)光效率：發(fā)光效率與內(nèi)量子效率和外量子效率有關。在電-光轉(zhuǎn)換效率中，存在以下的能量損失：1）輻射過程的能量損失：

(1)正向電壓VF下，載流子在PN結(jié)中復合發(fā)射出光子，會造成能量的損失；(2)由于PN結(jié)中有雜質(zhì)、晶格缺陷等因素，每個電子渡越PN結(jié)與空穴復合時，并不是都能激發(fā)產(chǎn)生出一個光子，及內(nèi)量子效率不可能達到100%；(3)每個電子渡越PN結(jié)耗能一定大于發(fā)射那個光子所具有的能量。

2）封裝時的能量損失3）激發(fā)過程的能量損失：

比如：對于白光LED，由于用藍光激發(fā)黃色YAG熒光粉，因此在激發(fā)的過程中存在能量損失：(1)藍光對黃色YAG熒光粉并非100%激發(fā)，這與黃色YAG熒光粉的顆粒大小和均勻度有關系；(2)藍色光子能量大于激發(fā)出黃色光子的能量，在藍色光子轉(zhuǎn)化成黃色光子的過程中存在能量損失；(3)溫度升高，藍光太強，非輻射現(xiàn)象增加，藍光轉(zhuǎn)換成黃光的效率下降。

LED的熱學指標41.熱阻RthLED器件的熱學性能會直接影響到器件發(fā)光效率、強度、光譜特性、工作穩(wěn)定性和使用壽命。LED熱學設計的目的在于預言LED芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指LED芯片PN結(jié)的溫度。Rth熱阻Rth：熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，單位攝氏度每瓦（）。熱阻越低，表明芯片中熱量傳導的越快，有利于降低芯片中PN結(jié)的溫度，從而延長LED的壽命。影響熱阻的因素：

與LED的芯片本身的結(jié)構與材料有關；與LED粘結(jié)所用的材料的導熱性能及粘結(jié)時的質(zhì)量有關；與熱沉的散熱面積大小有關。

防靜電指標：一般LED做好后，雙極開路防靜電指標應在500V之內(nèi)；失效率：指一批LED器件再點亮后多長時間，有多少個出現(xiàn)“死燈”現(xiàn)象。這是衡量這批LED器件質(zhì)量的關鍵指標。壽命：LED器件在正常工作條件下，半光衰時間越長，說明LED的壽命越長。LED的壽命與使用時系統(tǒng)的散熱條件、出光效率有直接關系。其他相關指標：老化：LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關，可描述為:Lt=LOe-t/τ，Lt為t時間后的亮度，LO為初始亮度。通常把亮度降到Lt=1/2LO所經(jīng)歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103~104小時后，先后測得LO

，Lt=1000~10000，代入Lt=LOe-t/τ求出τ；再把Lt=1/2LO代入，可求出壽命t。長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。壽命資料的進一步補充：LED相關技術標準與發(fā)展動向5

CIE（國際發(fā)光照明委員會）：原文為CommissionInternationaledeL‘Eclairage（法）或InternationalCommissiononIllumination（英）。這個委員會創(chuàng)建的目的是要建立一套界定和測量色彩的技術標準?？苫厮莸?930年，CIE標準一直沿用到數(shù)字視頻時代，其中包括白光標準（D65）和陰極射線管（CRT）內(nèi)表面紅、綠、藍三種磷光理論上的理想顏色。

IEC（國際電工委員會）：

IEC：InternationalElectrotechnicalCommission，也是非政府性國際組織，是聯(lián)合國社會經(jīng)濟理事會的甲級咨詢機構，正式成立于1906年，是世界上成立最早的專門國際標準化機構。國際LED標準化組織ISO（國際標準組織）

ISO：InternationalOrganizationforStandardization，于公元1946年由各國國家標準團體所組成之世界性聯(lián)盟，為一質(zhì)量需求之系統(tǒng)標準，其訴求之重點為要求企業(yè)內(nèi)部之運作必須有一定之作業(yè)程序，且每個作業(yè)程序必須予以書面化，但其并不是在幫您企業(yè)制定作業(yè)標準，而是強調(diào)各項作業(yè)流程必須按照公司所自訂之程序來執(zhí)行之，畢竟每個行業(yè)或公司都有其不同之文化，其運作模式并非企業(yè)外之組織所能幫您制定，故以一簡單之白話來表示：把做的寫下來，按照寫的做或言出必行，即為ISO所追求之最高宗旨。

ANSI（美國國家標準協(xié)會）：

ANSI：AmericanNationalStandardsInstitute，由公司、政府和其他成員組成的自愿組織。它們協(xié)商與標準有關的活動，審議美國國家標準，并努力提高美國在國際標準化組織中的地位。此外，ANSI使有關通信和網(wǎng)絡方面的國際標準和美國標準得到發(fā)展。ANSI是IEC和ISO的成員之一。國際LED標準化組織

EN（歐洲標準）

En：EuropeNorm或EuropeStandard，按參加國所承擔的共同義務，通過此EN標準將賦予某成員國的有關國家標準以合法地位，或撤銷與之相對立的某一國家的有關標準。也就是說成員國的國家標準必須與EN標準保持一致。國際LED標準化組織1.IEC60747-5半導體分立器件及集成電路(1992)；2.IEC60747-5-2半導體分立器件及集成電路零部件5-2：光電子器件——分類特征及要素(1997-09)；3.IEC60747-5-3半導體分立器件及集成電路5-3：光電子器件——測試方法(1997-08)；4.IEC60747-12-3：半導體分立器件12-3：光電子器件——顯示用發(fā)光二極管空白詳細標準（1998-02）；5.CIE127-1997LED測試方法（1997）(2007年，CIE大幅修訂了原有的LED測量技術文件CIE-127。在修訂版中最大的改變?yōu)樘岢霾糠諰ED光通量(PartialLEDFlux)概念，雖然如此，CIE-127:2007仍然無法解決許多目前高功率LED所遇到的測量難題

)；6.CIE/ISOLED強度測試標準。普通LED的測試標準1.IEC60838-2-2-2006雜類燈座第2-2部分:特殊要求.LED模塊用連接器2.IEC61347-2-13-2006燈控裝置.第2-13部分:LED交直流供電控制設施的特殊要求3.IEC62031-2008普通照明用LED模塊.安全規(guī)范4.IEC62384-2006LED模塊的直流或交流電源電子控制裝置.性能要求IEC對LED模塊標準1.ANSIC78-377-2008：固態(tài)照明產(chǎn)品色度規(guī)范(SpecificationsfortheChromaticityofSolidStateLightingProducts);2.IESNALM-79：固態(tài)照明設備電氣和光度測試核定方法(ElectricalandPhotometricMeasurementsofSolid-StateLightingProducts)；3.IESNALM-80:LED光源流明衰減測量方法(MeasuringLumenMaintenanceofLEDLightSources)；4.IESNARP-16AddendumA：照明工程的術語和定義（NomenclatureandDefinitionsforIlluminatingEngineering）；2008年發(fā)布的新標準1.2006年7月，DOE與下一代照明行業(yè)聯(lián)盟（NGLIA）合作起草了《白光LED產(chǎn)品能源之星（EnergyStar）標準》，幫助消費者辨識市場中真正高質(zhì)、節(jié)能的SSL產(chǎn)品。隨后，DOE與北美照明工程學會（IESNA）簽署合作備忘錄，合作推出檢測標準，并將其作為能源之星固態(tài)照明標準制定的基礎。2.2007年7月，DOE提出了《五年固態(tài)照明商業(yè)化支持計劃》草案，該計劃包含目前正在進行的策略，如能源之星固態(tài)照明燈具標準、其它相關標準制定工作、商用LED產(chǎn)品評估報告及設計競賽等，其中能源之星固態(tài)照明燈具標準已于2008年9月30日正式生效，而其它相關標準也須以能源之星標準的時程作為其制訂的規(guī)劃目標。3.2008年12月23日，美國能源部（DOE）發(fā)布固態(tài)照明能源之星版本1.1，在此版本中加入了幾個新的應用，推遲了原來A類中幾個引起爭議的判據(jù)。該標準2009年2月1日生效。另外，DOE針對整體式LED燈已發(fā)布了能源之星的初稿草案標準，在2009年2月27日之前向大家征求其擬議標準的建議，并已在網(wǎng)站上發(fā)布了這些可能性標準，以供評論，最終標準預計將在2009年7月公布。4.2009年3月初，美國環(huán)保署（EPA）發(fā)布了住宅照明燈具（RLF）4.3版草案標準，并要求大家發(fā)表評論，新草案在是上一輪草案的基礎上給予的修訂。EPA要求就其2008年6月修訂的RLF標準4.2版本中沒有明確提及的兩個細節(jié)“相關色溫（CCT）和最低光輸出要求的限定”發(fā)表評論，截止日期3月27日。能源之星固態(tài)照明燈具標準進展

注意：

EPA的能源之星LED照明燈具標準與DOE的固態(tài)照明1.1版本之間存在差異：DOE固態(tài)照明標準1.1版中要求對全部燈具的光輸出進行測試，比如，光通量的測試；而EPA能源之星標準則側(cè)重對封裝好的LED模組（發(fā)光二極管+熱沉+驅(qū)動器）進行測試，雖然要求對每個燈具進行現(xiàn)場熱測試，但是具有相同資格的LED模組可以被裝到各種各樣的燈具中。這兩種標準的存在，一直是人們爭論的焦點，尤其是DOE及其擁護者所支持的能源之星標準。

能源之星固態(tài)照明燈具標準進展CIES009/E：2002:對LED的安全性做出了規(guī)定.國際燈具安全要求標準：1.IEC60598-1-2008照明設備.第1部分:一般要求和試驗2.IEC62471-2006燈具和燈具系統(tǒng)的光生物學安全性國內(nèi)燈具安全標準：1.GB7000.1-2007燈具第1部分:一般要求與試驗；2.GB/T20145-2006燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性,包括LED對和燈具（國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（北京）和浙江大學三色儀器有限公司共同起草）燈具的光輻射安全標準LED安全標準日本LED照明標準

日本照明學會(JIES)、日本照明委員會(JCIE)、日本照明器具工業(yè)會(JIL)以及日本電球工業(yè)會(JEL)四團體共同訂出《照明用白色LED測光方法通則》，成為目前唯一針對照明用白光LED所訂定的測量標準。在2004年制定的初版中已率先制訂數(shù)項未曾規(guī)范過的項目，如標準LED之制造、小型模塊光強度的測量法以及壽命評估方式等。在2006年3月的修訂版中，增加并修訂原原有的標準內(nèi)容，對色度學的量測以及光通量的量測方式等作出更詳細的規(guī)范?；谥斏鲬B(tài)度，有許多部分仍然是被放在附屬部分，不過，其在相關規(guī)范的說明仍十分詳細，就現(xiàn)階段國際所能查到的LED標準文獻，此標準可說是內(nèi)容最完整的規(guī)范。在目前產(chǎn)業(yè)界仍然缺乏適當?shù)耐ㄓ肔ED測量規(guī)范情況下，該標準將會是一個重要的參考依據(jù)。國內(nèi)標準制定進展

《整體式LED路燈的測量方法》（審定稿）于2008年9月1日正式推薦實施，這為LED路燈國家標準的制定打下了基礎。

2008年福建省提出中國大陸首個LED燈具地方標準，在這個由福建省質(zhì)監(jiān)局、福州大學等單位和LED燈具企業(yè)的專家共同審訂的LED燈具地方標準中規(guī)定，LED燈具的使用壽命不應低于1萬小時。

2008年10月，全國照明電器標準化技術委員會與信息產(chǎn)業(yè)部半導體照明技術標準工作組相繼召開會議通過12項LED國標送審稿和7項LED電子行業(yè)標準送審稿，目前正在等待審批過程中，專家預計這些標準將在2