1、1半導體照明的檢測 2研究背景研究背景半導體的發光原理半導體的發光原理半導體照明的應用與發展半導體照明的應用與發展 半導體照明的檢測原理與方法（部分）半導體照明的檢測原理與方法（部分）綜合檢測設備實樣展示綜合檢測設備實樣展示 主要內容3 研究背景 2020世紀年代末，隨著第三代半導體材料氮化世紀年代末，隨著第三代半導體材料氮化鎵的突破和藍、綠、白光發光二極管的問世，一鎵的突破和藍、綠、白光發光二極管的問世，一場新的產業革命場新的產業革命照明革命開始醞釀，照明革命開始醞釀，LEDLED產品產品成為最新的節能照明產品。成為最新的節能照明產品。 LEDLED的優點：高效率、長壽命、低損耗、耐振動、的

2、優點：高效率、長壽命、低損耗、耐振動、響應速度快等響應速度快等4 半導體的發光原理 二極管發光示意圖二極管發光示意圖發光二極管發光二極管:除除半導體激光器外半導體激光器外,當電流激勵時能當電流激勵時能發射光輻射的半發射光輻射的半導體二極管。導體二極管。5半導體照明的應用與發展 近十年來，近十年來，LED制造技術取得了突飛猛制造技術取得了突飛猛 進的發展，主要體現在兩個方面進的發展，主要體現在兩個方面:一是發光效率顯著提高，光通量相應增大； 二是發光顏色覆蓋到了可見光光譜范圍。6LED交通燈 LED汽車尾燈LED固體燈 LED 裝飾燈7LEDLED交通信號燈與傳統交通信號燈比較分析交通信號燈與傳

3、統交通信號燈比較分析 出光特點 聚光、顯示效應 使用壽命 壽命、更換頻率 耗電量 節能、安全穩定8 半導體照明的發展分析半導體照明的發展分析國內半導體照明產業已初步形成“廣東、深圳”，“福建、江西”，“江蘇、上海、浙江”，“北京、東北、河北”四個產業相對集中的區域，并呈現出北方研發機構集中，研發力量強，而南方產業化能力強，應用發展快的產業格局。 9關于照明檢測的研究意義： 半導體照明檢測方法的重要性。半導體照明檢測方法的重要性。 半導體照明檢測所面臨的問題。半導體照明檢測所面臨的問題。10 功率型LED是半導體照明的核心，研究開發高效大功率LED外延、芯片及封裝技術是業界永恒的主題。同時，器件

4、可靠性以及測試技術與標準也越來越引起人們的關注。測試技術與測試標準也成為比較熱門的話題，測試技術科學化、規范化，統一測試標準，將是LED產業健康有序競爭的一根標尺。11 1、顯示或指示用的傳統檢測標準及測試方法 已不能滿足照明應用需要。 2、國內外的半導體設備儀器生產企業推出各 自的測試儀器。 3、國內目前沒有較全面的LED國家和行業測 試標準，也沒有相應的檢測系統。 12 國際標準國際標準: :（1）IEC60747-5 Semiconductor devices Discrete devices and integrated circuits(1992) 譯文：IEC60747-5半導體分

5、立器件及集成電路（2）IEC60747-5-2 Discrete semiconductor devices and integrated circuits-Part 5-2:Optoelectronic devices- Essential ratings and characteristics (1997-09) 譯文：IEC60747-5-2分立半導體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 Discrete semiconductor devices and integrated circuits-Part 5-3 :Op

6、toelectronic devices- Measuring methods(1997-08) 譯文：IEC60747-5-3分立半導體器件及集成電路零部件5-3：光電子器 件測試方法(1997-08)（4）IEC60747-12-3 Semiconductor devicespart12-3: opto- electronic devices Blank detail specification for light- emitting diodes Display application(1998-02) 譯文：IEC60747-12-3半導體分立器件12-3：光電子器件顯示用發光二極 管

7、空白詳細標準（1998-02）（5）CIE127-1997 Measurement of LED s(1997) 譯文：CIE127-1997 LED測試方法（1997）（6） CIE/ISO standards on LED intensity measurements 譯文：CIE/ISO LED強度測試標準13國內標準國內標準: : （1）Sj2353.3-83半導體發光二極管測試方法 （2）Sj265886 半導體紅外發光二極管測試方法 （3）GB/T125611990發光二極管空白詳細規范 （4）GB/T156511995半導體器件分立器件和集成電 路：光電子器件（國家標準） （5）

8、GB/T18904.32002半導體器件12-3:光電子 器件顯示用發光二極管空白詳細規范（采用IEC60 747-12-3:1998） （6）半導體分立器件和集成電路第52部分：光電子器 件基本額定值和特性 （7）半導體分立器件和集成電路第53部分：光電子器 件測試方法 （8）半導體發光二極管測試方法（中國光協光電器件分 會標準；2002）14 電學特性電學特性 光學特性光學特性 光電特性光電特性 顏色分析顏色分析 溫度分析溫度分析15半導體照明的檢測試驗條件半導體照明的檢測試驗條件 1 標準大氣條件下（氣壓、濕度和溫度的控制）標準大氣條件下（氣壓、濕度和溫度的控制） 溫度：溫度：1535；

9、 相對濕度：相對濕度：2080； 氣壓：氣壓：86kPa106kPa；2 仲裁試驗的標準大氣條件仲裁試驗的標準大氣條件 3 環境條件（機械振動和電磁干擾的控制）環境條件（機械振動和電磁干擾的控制） 4 參數要求參數要求 （偏置和誤差的要求）（偏置和誤差的要求）16概概 述述: LED : LED 的的I-VI-V特性表征特性表征LEDLED芯片芯片PNPN結制備性結制備性能能 主要參數主要參數, ,具有非線性、整流性質。具有非線性、整流性質。17測量內容：測量正向電壓、反向電壓、反向電流、總電容。測量內容：測量正向電壓、反向電壓、反向電流、總電容。實驗器件實驗器件: D-: D-被測被測LED

10、LED器件器件 G-G-恒流源恒流源 A-A-電流表電流表 V-V-電壓表電壓表 規定條件規定條件: : 環境或管基溫度環境或管基溫度 正向偏置電流。正向偏置電流。正向電壓測試框圖正向電壓測試框圖 18反向電壓測試框圖反向電壓測試框圖 反向電流測試框反向電流測試框 總電容測試框圖總電容測試框圖 191 1、概、概 述述: : LEDLED發光強度：表征它在某個方向上的發光強弱。發光強度：表征它在某個方向上的發光強弱。 ( (單位：坎德拉單位：坎德拉 ，cd) cd) 平均平均LEDLED強度強度: :照射在離照射在離LEDLED一定距離處的光探測器上的通量一定距離處的光探測器上的通量與由與由

11、探測器構成的立體角探測器構成的立體角的比值的比值 。 I=/=/(S/d2) 立體角含義：以立體角含義：以r r為半徑做一圓球，若錐面在圓球上截出的面積為半徑做一圓球，若錐面在圓球上截出的面積S S 等于等于r2r2，則該立體角為一個單位立體角。，則該立體角為一個單位立體角。 （單位：球面度，（單位：球面度，srsr） 20 CIE推薦標準條件A和B 2、測測量量內內容：平均容：平均LEDLED強度的強度的測測量量: :21實驗器件實驗器件: D-被測被測LED器件；器件；PD-包括面積為包括面積為A的光闌的光闌 D1的光度探測器；的光度探測器；G-電流源電流源 D2、D3-消消 除雜散光光欄

12、；除雜散光光欄；d-被測被測LED器件與光闌器件與光闌D1之間的距離。之間的距離。規定條件規定條件: 環境溫度和合適的大氣條件；正向電流（寬度和重復率）。環境溫度和合適的大氣條件；正向電流（寬度和重復率）。22光強分布光強分布 1 1、概述、概述:反映器件的發光（或輻射）強度空間分布特性反映器件的發光（或輻射）強度空間分布特性 偏差角 ：最大光強度方向（光軸）與機械軸Z之間的夾角 半強度角1/2：半強度角 1/2是發光（或輻射）強度大于 等于最大強度一半構成的角度。 23實驗器件: 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,

13、D3不應限制探測立體角；：Z軸和探測器軸之間的 夾角;d被測LED器件與光闌D1之間的距離。規定條件: 環境和管基溫度；規定正向電流IF 或者輻射功率 e；機械參照平面。2、測測量量241、概、概 述述:光通量光通量F：表征表征LED總光輸出的輻射能量，標志器件的性能優總光輸出的輻射能量，標志器件的性能優 劣。光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流劣。光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流 源大小有關。源大小有關。 （單位：流明，（單位：流明，lm)。LED效率效率：內部效率（：內部效率（PN結附近由電能轉化成光能的效率）結附近由電能轉化成光能的效率） 外部效率（輻射到外部的效率）。外部效

14、率（輻射到外部的效率）。LED發光效率：發光效率：表征節能特性表征節能特性.輻射出光通量輻射出光通量/輸入電功率。輸入電功率。 （F/（IF *VF ）(單位單位:lm/w)25測量內容：光通量測量內容：光通量 發光效率發光效率規定條件規定條件: 環境溫度、管基溫度、正向電流。環境溫度、管基溫度、正向電流。2、測測量量26輻射光通量和輻射效率輻射光通量和輻射效率 （非可見光）（非可見光）1、概、概 述述: 輻射通量：又常稱為輻射功率，是輻射源發射,傳輸和接收的功率. e =dQe/dte =dQe/dt，（單位：W） 輻射通量的概念適用于所有光譜段的光和輻射，對于紫外、 可見和近紅外發光二極管

15、都適用。在可見光范圍內，光源 發射的光和輻射將引起人眼的視覺，光源發射的輻射通量中 能引起人眼視覺的那部分量稱作為光通量。 輻射效率: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。 輻射強度Ie 、輻射亮度Le 、輻射照度Ee 27 輻射強度Ie：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de與該立體角元 d的比值.單位為瓦球面度(W/sr )。 Ie =de/D 輻射亮度Le：輻射源面上面積為dS 的一點沿給定方向上的輻射強度dIe與該點在垂直于給定方向的平面上正投影面積的比值定義為給定方向上的輻射亮度.單位為W/(srm2)。 輻射照度Ee：

16、照射在輻射接收面上一點的輻射通量de 與該點面積dA的比值，單位為W/m2 。即 Ee=de/dA28規定條件: 環境和管基溫度；正向電流。2、測測量量29峰值發射波長，光譜輻峰值發射波長，光譜輻 射帶寬和光譜功率分射帶寬和光譜功率分布布1 1、概、概 述述: : LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不 同，繪成一條分布曲線同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。光譜分布曲線。 峰值波長：峰值波長：與相對光強度最強處（光輸出最大）相對應的波長，與相對光強度最強處（光輸出最大）相對應的波長， 稱為峰值波長用稱為峰值波長用p表示。表示。 譜線寬度：譜線寬度：在在L

17、ED譜線的峰值兩側譜線的峰值兩側處，存在兩個光強處，存在兩個光強 等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點對應寬度叫等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點對應寬度叫譜譜 線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。 。30LED光譜分布曲線（光譜分布曲線（LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及 PN結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器 件的幾何形狀、封裝方式無關）件的幾何形狀、封裝方式無關） 1藍光InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O

18、 4 紅外GaAs 5 Si光敏光電管 6 標準鎢絲燈人眼感光波長 相對功率31 實驗器件: D-被測LED器件;L-聚焦透鏡系統； G-電流源（直流或脈沖）；M-單色儀；D2,D3-消除雜散光光欄；RM-包括光闌D1的輻射探測系統。規定條件: 環境和管基溫度；規定的正向電流（直流或脈沖）。 2、峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布測試:32LEDLED公認的三項技術指標，也是客戶最關心的部分。公認的三項技術指標，也是客戶最關心的部分。1、亮度：、亮度：發光物體表面或被照射物體的反光表面，在人眼觀察方發光物體表面或被照射物體的反光表面，在人眼觀察方 向所看到的亮暗程度。向所看到的亮暗程度。

19、（單位：（單位：cd/m2或或Nit） 照度：不發光的物體被光源照明的程度照度：不發光的物體被光源照明的程度（單位：勒克斯，流（單位：勒克斯，流 明明/米米2） LED亮度與外加電流密度有關，亮度與外加電流密度有關，JO（電流密度）增加，亮度也近（電流密度）增加，亮度也近 似增大。另外，亮度還與環境溫度有關，環境溫度升高，似增大。另外，亮度還與環境溫度有關，環境溫度升高，LED 復合效率下降，亮度減小。復合效率下降，亮度減小。發光亮度、發光亮度、LEDLED的壽命的壽命 和衰減率和衰減率 33*104=Nit342、老化老化：LED發光亮度隨著長時間工作而出現光強發光亮度隨著長時間工作而出現光

20、強 或光亮度衰減現象。或光亮度衰減現象。 壽命與衰減率：通常把亮度降到壽命與衰減率：通常把亮度降到Bt=1/2BO，衰減率衰減率 50%，所經歷的時間，所經歷的時間t稱為二極管的稱為二極管的 壽命。壽命。 3、國外學者常以國外學者常以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。的光衰減百分比數值作為壽命的依據。351 1、概述、概述: 電學特性的響應；光學特性的響應。電學特性的響應；光學特性的響應。電學響應：電學響應：隨電隨電信信號變號變化化， LEDLED電流的延遲特性電流的延遲特性 開關時間、開啟延遲時間開關時間、開啟延遲時間td(on)td(on)、上升時間、上升時間tr tr 、開啟、開啟

21、 時間時間ton ton 、關閉延遲時間、關閉延遲時間td(off)td(off)、下降時間、下降時間tf tf 、關閉、關閉 時間時間tofftoff光學響應：光學響應：LEDLED隨電信號變化啟亮和熄滅的延遲特性隨電信號變化啟亮和熄滅的延遲特性 上升時間：從接通電源使上升時間：從接通電源使LEDLED的發光亮度達到正常的的發光亮度達到正常的10%10%開始到開始到 LEDLED的發光亮度達到正常的的發光亮度達到正常的90%90%所經歷的時間。所經歷的時間。 下降時間：下降時間：LEDLED斷電后斷電后, ,發光亮度由正常值的發光亮度由正常值的90%90%下降到正常的下降到正常的 10%10

22、%所經歷的時間。所經歷的時間。36開關時間開關時間 延遲時間延遲時間2、測測量量37實驗器件實驗器件:D-被測被測LED器件；器件；G1-高阻電流脈沖發生器；高阻電流脈沖發生器； G2-直流電流偏置電源；直流電流偏置電源；G3-直流電直流電 壓偏置電源壓偏置電源 Rd-匹配發生器阻抗的電阻；匹配發生器阻抗的電阻；RL-負載電阻；負載電阻； M-測量儀器；測量儀器；PD-光電二極管；光電二極管；Syn-同步信號。同步信號。規定條件規定條件: 環境、管基溫度；直流偏置電流；光學窗口；光環境、管基溫度；直流偏置電流；光學窗口；光 學結構。學結構。38概述概述: :人們根據顏色外貌人們根據顏色外貌,

23、,按直觀的心理感受按直觀的心理感受, ,對顏色進行歸納、排列對顏色進行歸納、排列1 1、顏色的心理特性：、顏色的心理特性：色色 調：表示顏色相互區分的屬性，如可見光譜中紅、綠、藍和黃調：表示顏色相互區分的屬性，如可見光譜中紅、綠、藍和黃 等。等。光源的色調光源的色調取決于人眼對其輻射的光譜構成產生的感取決于人眼對其輻射的光譜構成產生的感 覺；覺；物體的色調物體的色調則取決于人眼對光源光譜組成和物體表面反則取決于人眼對光源光譜組成和物體表面反 射（或透射）的各波長輻射的比例所產生的感覺。射（或透射）的各波長輻射的比例所產生的感覺。 飽和度：指顏色的純潔性。可見光譜中各單色光的飽和度最高，當飽和度

24、：指顏色的純潔性。可見光譜中各單色光的飽和度最高，當 單色光中摻入白光愈多時，則飽和度愈低。單色光中摻入白光愈多時，則飽和度愈低。 明明 度度：明度是人眼感覺到顏色的明亮程度。物體色的黑白系列的非彩明度是人眼感覺到顏色的明亮程度。物體色的黑白系列的非彩色代表物體的光反射率的變化，在視覺上就是明度的變化，愈接近色代表物體的光反射率的變化，在視覺上就是明度的變化，愈接近白色，明度愈高。白色，明度愈高。 39 LED LED器件的光器件的光輻輻射射會會人眼人眼產產生生視覺視覺刺激，人刺激，人們們根據自己根據自己 的感受的感受評評價價LEDLED器件的器件的顏顏色特性色特性。為為避免避免評評價的主價的

25、主觀觀性，性， 必必須須用物理的方法用物理的方法對顏對顏色色進進行行計計量。量。 CIECIE（國際國際照明委照明委員會員會），在），在RGBRGB系系統統的基的基礎礎上采用上采用設設 想的三原色（想的三原色（X X）、（）、（Y Y）、（）、（Z)Z)分分別別代表代表紅紅色、色、綠綠色色 和和藍藍色色 ，建立了，建立了CIECIE19311931色度色度圖圖，同，同時將時將匹配等能光匹配等能光 譜譜各各種顏種顏色的三原色色的三原色數數據據標標準化，確定準化，確定 “ “CIE1931CIE1931XYZXYZ 標標準色度準色度學學系系統統” ”。2 2、CIE1931CIE1931XYZXY

26、Z色度系色度系統統；RGBRGB色彩模式：自然界中絕大部分的可見光光譜譜可以用紅、綠和藍三色光按不同比例和強度的混合來表示。R代表紅色，G代表綠色、B代表藍色。RGBRGB模式是一種加色法模式，通過R、G、B的輻射量，可描述出任一顏色。計算機定義顏色時R、G、B三種成分的取值范圍是0-255，0表示沒有刺刺激激量，255表示刺激刺激量達最大值。RGBRGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現16581375種顏色。40 CIE1931CIE1931XYZXYZ色度系統色度系統 色品坐標顏色41 在測得LED的光譜能量特性P() 后,就可以經過運算獲得LED的色度坐標

27、.LED的顏色三刺激值的計算式為:x（）y（）z（）- 分別是CIE1931-XYZ標準色度觀測者光譜三刺激值（根據大量的觀測者的顏色視覺實驗，確定一組為匹配等能光譜色的三原色數據，以此代表人眼的平均顏色視覺特性 ）。42對于光源來說，Y表示亮度;K是調整系數(K稱為調整系數，它是將照明體或光源的Y值調整為100時得出)43得到X, Y, Z三刺激值后，可以進而計算出色品坐標44主波長：任何一個顏色都可視為用某一個光譜色按一定比例與一個 參照光源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（心 理量）。若已獲得被測LED器件的色度坐標，就可以采

28、用等能白光E光源（ x00.3333，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。45純度：樣品顏色接近主波長光譜色的程度就表示了該樣品顏色的純 度。在CIE1931色度圖上，在顏色主波長線上用參照光源 色度點到樣品色度點的距離與參照光源色度點到光譜色色度 點的距離之比來表示純度。顏色的純度和人眼觀測到的顏色 飽和度基本一致。45（色純度（CSCO）100）46 色溫Tc：光源的光輻射所呈現的顏色與在某一溫度下黑體輻射的 顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。為 了求得光源的色溫，需要先求得它的色度坐標，然后在色 度圖上由CIE1960UCS推導的ISO色溫線求取色溫。47 溫度參數分析溫度參數分析概述：溫度對概述：溫度對PNPN結的復合發光是有影響的結的復合發光是有影響的. .溫度升高溫度升高 發光強度降低發光強度降低 發光效率顯著降低發光效率顯著降低