CN105629147A - Led载流子寿命测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管LED载流子寿命测试系统，包括：信号源装置、隔离装置、电压-电流转换装置、光信号探测装置、放大装置、以及信号处理装置。信号源装置输出在直流电压信号上调制的交流电压小信号，经隔离装置施加到电压-电流转换装置，以转换为电流驱动被测LED发光，并产生第一电压信号，该第一电压信号的变化反映流过被测LED的电流变化。光信号探测装置探测被测LED发出的光，相应地生成光生电流，并产生第二电压信号，该第二电压信号的变化反映光生电流的变化。放大装置分别对第一电压信号和第二电压信号进行放大并输入到信号处理装置的差分输入端。信号处理装置获得第一电压信号和第二电压信号之间的相位差。

Description

LED载流子寿命测试系统

技术领域

本发明涉及测试系统，更具体地，涉及一种发光二极管(LED)载流子寿命测试系统。

背景技术

LED被公认是光技术领域的一次根本性变革。它不但改变了传统照明方式，还对节能环保做出了巨大贡献。大功率LED的研究和发展进一步使其应用扩展到了交通信号灯、路灯照明、汽车前灯、室外大屏幕显示、光投射显示等重要领域。然而，如图1所示，大电流注入下，LED的内量子效率(Internalquantumefficiency，IQE)会随注入水平的提高而下降，并且电流越大，IQE损失越严重——Droop效应，这严重制约着大功率LED的发展及应用。因此，如何在进一步提高III族氮化物LED光效的同时，解决大驱动电流下LEDDroop问题成为了发展LED照明技术的当务之急。此外，随着无线光互联技术发展，LED作为典型的近距离、高速率、低成本无线光信号发射器件，如何分析并提高其极限带宽也需要深入研究LED内部载流子的复合行为。

目前关于LED复合行为的研究方法主要包括：(1)设计特定器件结构，在特定测试条件(温度、注入水平等)下对比分析器件的一系列发光峰，获得不同条件下LED内载流子复合行为的定性认识；(2)在测试得到的外量子效率(Externalquantumefficiency，EQE)随注入电流变化关系的基础上做出一定假设，利用第一性原理、一阶微扰计算或对ABC速率模型进行拟合来分析不同物理过程的影响。根据已有的研究，关于LEDDroop效应的成因主要分为俄歇复合和载流子泄露两种认知。由于现有实验手段缺乏对不同物理过程影响的有效对比，而数值计算往往基于过多假设使得分析过程不可靠，最终导致相关研究难以获得对LED载流子复合规律的准确认知，从而很难提出一个合理的优化方案。此外，由于对LED载流子行为认识不足，不能有效区分当前限制LED调制带宽的主要因素(寄生电阻-电容引起的RC延迟和载流子复合速率)，从而也缺乏对LED调制速率的有效优化。

分析LED的载流子寿命可以准确得到LED的复合速率，通过与测试得到的调制带宽进行对比，可以有效得出限制其带宽的主要因素，同时明确其调制带宽的理论极限。此外，俄歇复合会提高LED内载流子的复合速率，使载流子寿命下降；载流子泄露只会影响被有源区捕获的载流子浓度，而不会影响载流子寿命，从而，分析载流子寿命的变化规律可以有效将上述物理过程的影响清楚地区分开。而且，载流子寿命在不同条件下的变化规律可以给理论分析提供一些额外的物理信息，从而消除一些不必要的假设，使得分析更为可靠。

目前，LED载流子寿命测试的主要方法是时间分辨光致荧光分析(Timeresolvedphotoluminance，TRPL)。采用该方法能够准确获得有源区内光生载流子的寿命，但是由于该过程忽略了载流子的注入特性，所以在对Droop效应的分析中(尤其是电激发下的Droop效应)存在着很大的局限性。测试电激发下LED载流子寿命的主要方法是阻抗分析法，即采用图2所示的阻抗模型来对LED进行建模，拟合模型中的Rd和C来计算对应的RC常数并将其作为载流子寿命。由于该模型做了过多的近似和简化，使得该分析过程存在较大的近似误差，加之LED芯片外部一些额外寄生电容(电极焊盘等)的影响，测试结果的准确性较低。

发明内容

本发明公开了一种发光二极管LED载流子寿命测试系统，包括：信号源装置、隔离装置、电压-电流转换装置、光信号探测装置、放大装置、以及信号处理装置。信号源装置输出在直流电压信号上调制的交流电压小信号，经隔离装置施加到电压-电流转换装置，以转换为电流驱动被测LED发光，并产生第一电压信号，该第一电压信号的变化反映流过被测LED的电流变化。交流电压小信号的峰峰值幅度不超过直流电平的十分之一。光信号探测装置探测被测LED发出的光，相应地生成光生电流，并产生第二电压信号，该第二电压信号的变化反映光生电流的变化。放大装置分别对第一电压信号和第二电压信号进行放大并输入到信号处理装置的差分输入端。信号处理装置获得第一电压信号和第二电压信号之间的相位差。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1示意性示出了LED的Droop效应。

图2示意性示出了LED的阻抗模型。

图3示意性示出了根据本发明实施例的LED载流子寿命测试系统的电路图。

具体实施方式

根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。

在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。

图3示意性示出了根据本发明实施例的LED载流子寿命测试系统300的电路图。

如图3所示，LED载流子寿命测试系统300包括信号源装置310、隔离装置320、电压-电流转换装置330、光信号探测装置340、放大装置350、以及信号处理装置360。

信号源装置310输出在直流电压信号上调制的交流电压小信号。根据本发明的实施例，信号源装置310包括第一运算放大器OPAMP1、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第六电阻器R6、交流信号源AC和直流信号源DC。第一电阻器R1连接在第一运算放大器OPAMP1的反相输入端与地之间。第二电阻器R2和交流信号源AC串联连接在第一运算放大器OPAMP1的正相输入端与地之间。第三电阻器R3和直流信号源DC串联连接在第一运算放大器OPAMP1的正相输入端与地之间。第四电阻器R4连接在第一运算放大器OPAMP1的正相输入端与地之间。第五电阻器R5连接在第一运算放大器OPAMP1的反相输入端与其输出端之间。第六电阻器R6连接在第一运算放大器OPAMP1的输出端与信号源装置310的输出端之间。通过控制交流信号源AC的交流信号幅度、频率以及直流信号源DC的直流信号电平，将交流信号调制到直流信号上。根据本发明的实施例，交流信号峰峰值幅度例如为320mV，频率测试范围例如为300kHz～1MHz。直流信号电平例如为4.0V。以上交流信号峰峰值幅度的取值范围和直流信号的电平取值范围仅是示例性的，本领域技术人员可以根据实际情况设定其他合适的取值范围。根据本发明的实施例，交流电压小信号的峰峰值幅度不超过直流电平的十分之一，否则交流信号幅度过大会影响对实际工作电流值的准确控制。此外，使用基于运算放大器实现的同相加法器来完成信号调制，既有助于控制交流小信号幅度，又可以保证调制信号的稳定。

隔离装置320包括第二运算放大器OPAMP2，其正相输入端连接到信号源装置310的输出端，反相输入端连接到隔离装置320的输出端，构成一个电压跟随器，用于提高输入电阻、降低输出电阻，稳定信号电压。

电压-电流转换装置330包括PNP晶体管T1，其发射极通过上拉电阻器Rad连接到第一工作电压Vcc1。被测LED和检测电阻器Rd串联连接在PNP晶体管T1的集电极与地之间，其中被测LED的正极连接到PNP晶体管T1的集电极。PNP晶体管T1的基极连接到隔离装置320的输出端。检测电阻器Rd上的电压变化反映流经被测LED的电流变化。

第一工作电压Vcc1为已知电压，PNP晶体管T1的发射极和集电极之间的电压为固定值(例如，约0.7V)，这样，在确定了隔离输出和Vcc1之后，就可以根据需要的电流计算出Rad，即可以通过调节Rad来调节流过LED的电流。

发明人发现，为了确保测量准确性，要保证LED与Rd之间没有任何电容，否则会与Rd构成RC回路，形成RC延迟。由于晶体管的各极之间具有寄生电容，如果在电压-电流转换装置330采用NPN晶体管，那么就必须将NPN晶体管连接在被测LED与检测电阻器Rd之间，从而产生上述的RC延迟。本发明实施例采用PNP管T1，可以将被测LED直接与检测电阻器Rd相连，实现电压-电流转换则可以有效消除输入端额外产生的相位延迟，进一步消除了影响测试结果的不良因素，确保了测试结果的准确性。

发明人还发现，被测LED的电阻随注入电流的变化很敏感，且阻值比较小(例如在约2～12Ω之间)。随着信号源装置310输出的电压改变，其较大的输出电阻会严重影响电压-电流转换装置330产生的电流，使得通过被测LED的电流不能准确控制，从而导致后续的数据分析不可靠。本发明实施例通过隔离装置320降低输出电阻使信号源装置310输出的信号更多地落在电压-电流转换装置330上，从而在电压-电流转换装置330可以获得较大的电流(例如＞40mA)。另外，因为隔离装置320提高了后级的输入电阻，降低了前级的输出电阻，有益于稳定信号。

光信号探测装置340包括光电探测器PD，其负极连接到第二工作电压Vcc2，正极经由负载电阻器R_load连接到地。负载电阻器R_load上的电压变化反映流经光电探测器PD的电流。

放大装置350包括第一放大器AMP1和第二放大器AMP2。第一放大器AMP1对检测电阻器Rd上的电压进行放大，第二放大器AMP2对负载电阻器R_load上的电压进行放大。第一放大器AMP1的输出和第二放大器AMP2的输出分别连接到信号处理装置360的两个差分输入端。

信号处理装置360根据第一放大器AMP1的输出和第二放大器AMP2的输出，获得二者之间的相位差，并基于该相位差得到被测LED的载流子寿命。根据LED小信号速率方程分析，若测得的相位差为AC小信号频率为f，那么，载流子寿命τ可以由关系拟合得到(physicastatussolidi(c)，10(3)，327-331(2013))。根据本发明的实施例，信号处理装置360是示波器。

发明人注意到，不论采用何种用于接收光信号的光电探测器，其自身额外的寄生电容都始终难以避免，当其与负载电阻器相连时，造成的RC延迟会使测量得到的结果偏大，导致最终得到的差分载流子寿命明显偏大。要想消除该探测器引入的RC延迟，必须保证负载电阻器的电阻值足够小。例如，根据本发明的实施例，采用阻值小于100Ω的负载电阻器R_load来消除由探测器寄生电容产生的RC常数。

由于负载电阻器R_load的阻值较小，其上的信号电压也相对较微弱，需要采用第二放大器AMP2进行放大，而第二放大器AMP2的加入又会引起额外的相位延迟。

为抵消第二放大器AMP2的相位延迟，在被测LED侧使用与第二放大器AMP2相同的第一放大器AMP1对检测电阻器Rd上的电压信号进行放大。要保证两个放大器AMP1和AMP2的延迟相同，一方面需要两个放大器的电特性相同，另一方面需要调节检测电阻器Rd使得检测电阻器Rd上的电压幅度和R_load上的电压幅度相同(因为电压幅度不同，可能导致放大器内部晶体管的寄生电容大小不同，RC延迟不同，最终使得放大器的延迟特性不同)。这样，进入两个放大器AMP1和AMP2的电压信号幅度相同，使得电压放大过程中的延迟特性相同。

这样，本测试系统在实现基本测试功能的基础上，对探测器寄生电容的影响进行了优化和设计，在消除了寄生RC延迟以及其他附加延迟的基础上得到了可靠的测试结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种发光二极管LED载流子寿命测试系统，包括：

信号源装置、隔离装置、电压-电流转换装置、光信号探测装置、放大装置、以及信号处理装置，

其中：

信号源装置输出在直流电压信号上调制的交流电压小信号，经隔离装置施加到电压-电流转换装置，交流电压小信号的峰峰值幅度不超过直流电平的十分之一；

电压-电流转换装置将所述在直流电压信号上调制的交流电压小信号转换为电流，驱动被测LED发光，并产生第一电压信号，该第一电压信号的变化反映流过被测LED的电流变化；

光信号探测装置探测被测LED发出的光，相应地生成光生电流，并产生第二电压信号，该第二电压信号的变化反映光生电流的变化；

放大装置分别对第一电压信号和第二电压信号进行放大并输入到信号处理装置的差分输入端；以及

信号处理装置获得第一电压信号和第二电压信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，根据第一电压信号和第二电压信号之间的相位差得到被测LED的载流子寿命。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，信号源装置包括：第一运算放大器、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、交流信号源和直流信号源，其中：

第一电阻器连接在第一运算放大器的反相输入端与地之间；

第二电阻器和交流信号源串联连接在第一运算放大器的正相输入端与地之间；

第三电阻器和直流信号源串联连接在第一运算放大器的正相输入端与地之间；

第四电阻器连接在第一运算放大器的正相输入端与地之间；

第五电阻器连接在第一运算放大器的反相输入端与其输出端之间；以及

第六电阻器连接在第一运算放大器的输出端与信号源装置的输出端之间。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，隔离装置包括第二运算放大器，第二运算放大器的正相输入端连接到信号源装置的输出端，反相输入端连接到隔离装置的输出端。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，电压-电流转换装置包括PNP晶体管，PNP晶体管的发射极通过上拉电阻器连接到第一工作电压，被测LED和检测电阻器串联连接在PNP晶体管的集电极与地之间，其中被测LED的正极连接到PNP晶体管的集电极，PNP晶体管的基极连接到隔离装置的输出端，检测电阻器上的电压输出作为第一电压信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，光信号探测装置包括光电探测器，光电探测器的负极连接到第二工作电压，正极经由负载电阻器连接到地，负载电阻器上的电压输出作为第二电压信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，检测电阻器和负载电阻器的阻值设置为使得第一电压信号和第二电压信号具有相同幅度。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，负载电阻器的阻值小于100欧姆。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，放大装置包括第一放大器和第二放大器，第一放大器对第一电压信号进行放大，第二放大器对第二信号电压进行放大，第一放大器和第二放大器具有相同的电特性。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，信号处理装置是示波器。

11.根据权利要求1所述的系统，测得的第一电压信号和第二电压信号之间的相位差为交流电压小信号频率为f，根据获得的关系，由拟合得到载流子寿命τ。