锁相放大器OE2031在发光LED的微分载流子寿命(DLT)测量方面应用

　　2023年，厦门大学电子科学与工程学院电子科学系陈忠教授和吕毅军教授团队在IEEE发表了一篇题为《Study on the Carrier Lifetime of RGB Mini-Light-Emitting Diodes Based on Phase-Sensitive Detection》的文章，首次提出了一种适用于电致发光LED的微分载流子寿命(DLT)测量方法，该方法的测量电流低至0.1mA，具有高抗噪性和低测量误差等优点，同时该方法还可以获取LED的结电容和微分电阻。

　　基于速率方程和相敏检测技术，该团队研究了红、绿、蓝三种迷你LED的微分载流子寿命与注入电流密度之间的关系，发现随着注入电流密度的增加，相同LED的微分载流子寿命减小，而绿色迷你LED的微分载流子寿命下降速度比蓝色迷你LED更快。

　　样品 & 测试

　　文章使用锁相放大器对LED的收发信号电缆进行相位校准并测量不同工作频率下的相位延迟，从而测量出在不同的注入电流和交流频率下，LED的微分载流子寿命。

　　赛恩科仪锁相放大器(OE2031)接收外部直流输入，将交流(光电探测器输入信号)和直流信号相加，之后利用内部参考时钟产生振幅为50mV的正弦交流电压信号，并驱动LED。LED发出的光穿过积分球和光纤，然后分别被光谱仪和PIN光电探测器接收。光电探测器将光信号转换为电信号并发送给锁相放大器，而同时光谱仪获取LED的光谱。

　　其中光纤在光路中起到分光的作用。光电探测器的响应频率应远远高于检测频率，至少是检测频率的2倍，以满足奈奎斯特采样定理。光电探测器带宽为1 GHz，满足测试要求。考虑系统的输入噪声和工作频率，测试过程中锁相放大器的时间常数统一设为1毫秒。

　　(a)收发信号电缆的相位延迟，(b)不同的工作频率的蓝色迷你LED的微分载流子寿命，(c)电缆相位延迟补偿前后的蓝色迷你LED的微分载流子寿命(见文章图6)

　　如图(a)所示，通过DSP锁相放大器测试了发送和接收信号电缆的相位延迟。发现随着工作频率的增加，电缆的相位延迟变得更为严重，而LED光信号的交流振幅减小。此外，当LED以低频率运行时，相位差很小，而系统在相位测量中的相对误差增加。

　　如图(b)所示，以蓝色迷你LED的结果为代表数据，微分载流子寿命结果波动较大，并且当系统在100 kHz和10 MHz运行时，测试误差增加;然而，在500 kHz到1 MHz的范围内，测试结果稳定，这符合用于确定微分载流子寿命的相位微分法建议的频率范围。

　　图(c)显示了在对电缆的相位延迟进行补偿之前和之后，蓝色迷你LED的微分载流子寿命结果。结果显示，如果不考虑电缆的相位延迟，测试结果的数值将大得多。

　　总结

　　该文章根据速率方程和锁相放大器的相敏检测原理，推导出微分载流子寿命的检测原理;并提出了一种新的微分载流子寿命的检测方法，该方法使用锁相放大器来锁定待测光信号并滤除高频和噪声信号，实现了对弱光信号(可低至0.1mA)的检测。与以前的方法相比，该测量方法具有更高的测量精度，而且比基于矢量网络分析仪测量LED带宽以确定载流子寿命的方法和TRPL方法更为经济且简单。