劉宏偉，楊　華，程俊超，郭　凱

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津　300387）

LED光譜溫度特性測(cè)試與分析

劉宏偉，楊華，程俊超，郭凱

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

搭建由半導(dǎo)體制冷片和光譜儀組成的LED變溫發(fā)光特性測(cè)試系統(tǒng)，使用多通道溫度測(cè)試儀記錄芯片工作溫度，得到LED芯片在30～80℃范圍內(nèi)的發(fā)光特性與溫度的關(guān)系.結(jié)果表明：在輸入電流恒定時(shí)，隨著芯片材料溫度的不斷升高，LED的電功率和光功率降低，LED光效下降趨勢(shì)明顯；同時(shí)由于材料禁帶寬度減小，GaN LED的藍(lán)光峰值波長發(fā)生紅移；通過上述測(cè)試，利用數(shù)值擬合方式得到了芯片發(fā)光特性與溫度之間的函數(shù)關(guān)系.

LED光功率；光效；溫度；峰值波長

在當(dāng)今能源稀缺的背景下，LED光源憑借其能效高、壽命長、可靠性高、體積小、可控性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，受到各國政府和科研機(jī)構(gòu)的密切關(guān)注.美、日、歐等發(fā)達(dá)國家均將半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)和技術(shù)納入未來發(fā)展計(jì)劃，半導(dǎo)體照明將逐步取代傳統(tǒng)照明［2-3］.隨著LED技術(shù)的發(fā)展，大電流驅(qū)動(dòng)的功率型LED照明應(yīng)用越來越廣，因此器件的熱損耗增加，導(dǎo)致LED的可靠性降低，在一定程度上阻礙了LED技術(shù)的應(yīng)用和推廣［4］.

對(duì)于大功率LED，芯片熱量的散發(fā)大多依靠燈具散熱器將熱量傳導(dǎo)出去［5］.散熱性能不高的系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致LED在大功率應(yīng)用時(shí)結(jié)溫過高，使LED光效降低，光衰速度加快［6］.因此對(duì)LED照明系統(tǒng)的光－電－熱特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析十分必要.Hui［7-8］提出了一種LED光電熱分析理論，旨在解決LED器件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，指導(dǎo)LED器件的系統(tǒng)設(shè)計(jì).系統(tǒng)有幾種變量：熱功率（Pheat）、環(huán)境溫度（Ta）、熱沉溫度（Ths）、器件熱阻（Rjc）、熱沉的熱阻（Rhs）以及LED芯片的結(jié)溫（Tj）.該模型主要不足在于模型變量較多，計(jì)算復(fù)雜，LED的結(jié)溫等參數(shù)較難通過測(cè)試手段準(zhǔn)確獲取.在對(duì)LED系統(tǒng)光電熱特性進(jìn)行分析時(shí)，LED的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能和熱能，LED芯片溫度升高并向外部發(fā)光和散熱，系統(tǒng)穩(wěn)定后為動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，系統(tǒng)光電熱參數(shù)互相耦合影響.對(duì)其分析需要聯(lián)立導(dǎo)熱方程、電場(chǎng)麥克斯韋方程和薛定諤方程，求解分析難度較大.

針對(duì)上述問題，本文建立了一套變溫LED光電熱測(cè)試系統(tǒng)，研究LED器件的工作溫度對(duì)LED光電參數(shù)的影響，測(cè)試得到LED器件LED電功率、光功率參數(shù)與工作溫度的函數(shù).通過本測(cè)試，LED系統(tǒng)光電熱耦合分析方程組得到簡化，變?yōu)閷?dǎo)熱方程與光電熱耦合函數(shù)之間的二階偏微分方程，提高了模擬計(jì)算精度和速度.

1　實(shí)驗(yàn)部分

測(cè)試設(shè)備為杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司生產(chǎn)的HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)，測(cè)試的環(huán)境溫度為25℃，工作電流為20 mA，實(shí)驗(yàn)樣品使用半導(dǎo)體制冷片對(duì)LED芯片的工作溫度進(jìn)行控制，工作溫度變化范圍控制為30～80℃，溫升步長為2℃.使用HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)獲取LED芯片的光通量、電功率以及光效等光電參數(shù)；器件的工作溫度通過MIK-200D多通道溫度測(cè)試儀獲取.整理數(shù)據(jù)得到穩(wěn)定后的LED電功率、光功率、光效和峰值波長隨芯片材料溫度變化的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中光譜分布及熱測(cè)量系統(tǒng)的搭建如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)樣品為選自瑞豐的I30系列3528白光芯片，功率為0.06 W的GaN白光LED.將LED焊接在印刷電路板（PCB）上，該P(yáng)CB板與半導(dǎo)體制冷片通過導(dǎo)熱膠連接，在半導(dǎo)體制冷片的熱面涂上導(dǎo)熱膠并連接鋁制的圓形散熱器，測(cè)試其光學(xué)性能參數(shù)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示.

圖2　溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of temperature control system

2 　結(jié)果分析

2.1LED芯片電功率與溫度關(guān)系

LED普遍驅(qū)動(dòng)方式為恒流驅(qū)動(dòng)，所以在實(shí)驗(yàn)過程中保持芯片驅(qū)動(dòng)電流為20 mA，根據(jù)光譜分析系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，可得到本文樣品溫度與電功率的變化關(guān)系如圖3所示.

圖3　電功率隨溫度的變化曲線Fig.3　Curve of electrical power changing with temperature

圖1　白光LED的光譜分布及熱測(cè)量系統(tǒng)Fig.1　White LED spectral distribution and thermal measurement system

實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到LED結(jié)電壓與工作溫度為近似線性關(guān)系，該關(guān)系與文獻(xiàn)［9］中所得結(jié)論基本一致.電功率為電流與電壓乘積，所以電功率和工作溫度之間也呈現(xiàn)近似線性關(guān)系.分析其原因?yàn)椋篖ED的工作電壓受驅(qū)動(dòng)電流、芯片的摻雜、器件結(jié)構(gòu)等因素影響［9］.隨著溫度的升高，上述參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓隨之發(fā)生變化，功率變化.LED器件由固定電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的正向電流密度J保持不變，而J與溫度T的關(guān)系為［10］：

式中：Vg0為絕對(duì)零度時(shí)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差；γ為一常數(shù)；k0為玻爾茲曼常數(shù)；q為電荷量.通過推導(dǎo)可得，正向電流J是溫度T的增函數(shù).溫度升高，正向電流增大，若正向電流密度保持不變，則LED溫度升高時(shí)工作電壓VF會(huì)呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致器件功率降低.

2.2LED芯片光功率與溫度關(guān)系

圖4所示為溫度與LED樣品的光功率之間的關(guān)系.

圖4　光功率隨溫度變化的曲線Fig.4　Curve of luminous power changing with temperature

由圖4可以看出，隨著溫度升高，LED光功率下降.LED的電功率等于光功率與熱功率之和，設(shè)輸出的LED光功率為P光，輸入的電功率為P電，熱耗散功率為P熱，轉(zhuǎn)化為熱能的這部分功率P熱才會(huì)引起LED結(jié)溫溫升［11］，可描述為

LED的電光轉(zhuǎn)換效率定義為LED輸出光功率與輸入電功率之比，一般可描述為

通過改變積分球內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)的工作溫度，得到不同工作溫度下的電光轉(zhuǎn)換效率η，如圖5所示.

圖5　電光轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化的曲線Fig.5　Curve of electro optic conversion efficiency changing with temperature

由圖5可以看出，在驅(qū)動(dòng)電流不變的條件下，LED的電光轉(zhuǎn)換效率η隨環(huán)境溫度的增加而迅速下降.由于P光=ηP電，隨著溫度的增加，η在下降，P電也在下降，其電光轉(zhuǎn)換效率擬合函數(shù)可表示為：

式中：η為電光轉(zhuǎn)換效率；T為溫度；A=-3.894×10-4［1/℃］；B=5.464 6×10-6［1/℃2］；公式擬合的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998 91.由此說明，電光轉(zhuǎn)換效率、電功率和光功率均隨著溫度的升高而下降.

2.3LED芯片峰值波長與溫度關(guān)系

LED峰值波長的變化影響白光顏色和相關(guān)色溫［12］，樣品在低溫向高溫變化下的峰值波長如圖6所示.

圖6　LED峰值波長隨溫度變化的曲線Fig.6　Curve of LED peak wavelength changing with temperature

由圖6可以看出，隨著溫度的升高，峰值波長發(fā)生紅移，即樣品的峰值波長由起初的451.3 nm逐漸變?yōu)?54.8 nm.測(cè)試系統(tǒng)工作溫度升高，芯片溫度升高，禁帶寬度減小，根據(jù)λ=1 240/Eg可知，溫度升高，峰值波長出現(xiàn)紅移，峰值波長增大.

2.4LED芯片發(fā)光效率與溫度關(guān)系

光通量是LED器件應(yīng)用中需要考慮的重要參數(shù)，與人眼視覺相應(yīng)函數(shù)關(guān)系密切.本測(cè)試過程中選用白光LED芯片，色溫2 900 K，顯色指數(shù)75，正向電流20 mA工作條件下，光通量為6流明，對(duì)應(yīng)發(fā)光效率為100 lm/W.芯片溫度升高，光子的輻射躍遷幾率降低，輻射復(fù)合率降低，發(fā)光效率降低［13-14］，如圖7所示.

圖7　LED發(fā)光效率隨溫度變化的曲線Fig.7　Curve of LED luminous efficiency changing with temperature

根據(jù)圖7溫度與LED發(fā)光效率之間的變化關(guān)系可推出本款芯片LED發(fā)光效率隨溫度變化的擬合函數(shù)：E=a+b×T+c×T2，擬合的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99967.式中：E表示LED芯片光效；a=76.11lm/W、b=-0.189［lm/ W℃］、c=0.002［lm/W℃2］；T表示LED的工作溫度.測(cè)試其他同款LED芯片溫度與發(fā)光效率之間的關(guān)系，基本符合得出的結(jié)論.

2.5光電熱耦合關(guān)系方程

本文測(cè)試所得光電熱耦合關(guān)系簡化后，可變?yōu)閷?dǎo)熱方程與光電熱耦合函數(shù)之間的二階偏微分方程.

導(dǎo)熱方程為▽·（-λ▽T）=Q，

光電熱耦合函數(shù)為

式中：V為熱源的體積，在本文中，V是LED芯片的體積，其值為7.84×10-9m3；η為電光轉(zhuǎn)換效率，P電為電功率.此方法可將LED工作中涉及的光電熱耦合關(guān)系通過熱源方程表示出來.

3 結(jié)語

通過本文搭建的測(cè)試系統(tǒng)，得到了芯片發(fā)光特性與溫度之間的函數(shù)關(guān)系.結(jié)果表明了白光LED的光電參數(shù)受溫度影響明顯.隨著溫度升高，LED器件電功率和光功率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；禁帶寬度減小，峰值波長發(fā)生紅移；LED器件的溫度升高，器件內(nèi)部輻射復(fù)合率降低，LED的發(fā)光效率降低.本文測(cè)試所得光熱電耦合關(guān)系簡化后可變?yōu)閷?dǎo)熱方程與光電熱耦合函數(shù)之間的二階偏微分方程，可將LED工作中涉及的光電熱耦合關(guān)系通過熱源方程表示出來，對(duì)于指導(dǎo)LED燈具設(shè)計(jì)與分析具有重要的參考價(jià)值.

［1］劉紅超.LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)及研究進(jìn)展 ［J］.上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（2）：85-102. LIU H C.LED industry technology and research progress［J］. Journal of Shanghai Second Polytechnic University，2011，28 （2）：85-102（in Chinese）.

［2］郝金剛，梁春軍，劉淡寧，等.LED產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告［J］.現(xiàn)代顯示，2006（3）：8-15. HAO J G，LIANG C J，LIU D N，et al.LED industry analysis report［J］.Advanced Display，2006（3）：8-15（in Chinese）.

［3］周太明，周詳.光源原理與設(shè)計(jì)［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006：395-419. ZHOU T M，ZHOU X.Principle and Design of Light Source［M］. Shanghai：FudanUniversityPress，2006：395-419（inChinese）.

［4］董志江，靳彩霞，楊新民，等.照明用LED功率芯片光效提升研究進(jìn)展 ［C］//中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電器件分會(huì).第十二屆全國LED產(chǎn)業(yè)研討與學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.大連：大連工業(yè)出版社，2010：94-99. DONG Z J，JIN C X，YANG X M，et al.Research progress of LED power chip for lighting［C］//China Optical Photoelectron IndustryAssociationBranchofPhotoelectricDevice. Proceedings of the Twelfth National Symposium on LED Industry and Academic Conference.Dalian:Dalian Industry Press，2010：94-99（in Chinese）.

［5］QIAN K Y，ZHENG D S，LUO Y.Thermal dispersion of GaN-based power LEDs［J］.Semiconductor Optoelectronics，2006，27 （3）：236-239.

［6］HONG E，NARENDRAN N.A method for projecting useful life ofLEDlightingsystems［J］.ProceedingsofSPIE-TheInternational Society for Optical Engineering，2004，5187：93-99.

［7］HUI S Y，QIN Y X.A general photo-electro-thermal theory for light emitting diode（LED）systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（8）：1967-1976.

［8］ HUI S Y.Methods for optimal operation of light emitting diodes:US，8086434 B2［P］.2011-12-27.

［9］DAMLJANOVIC D D.Remodeling the p-n junction［J］.Circuits &Devices Magazine IEEE，1993，9（6）：35-37.

［10］劉恩科.半導(dǎo)體物理學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010. LIU E K.Semiconductor Physics［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2010（in Chinese）.

［11］田傳軍，張希艷，鄒軍，等.溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2010，31（1）：96-100. TIAN C J，ZHANG X Y，ZOU J，et al.Effect of temperature on the photoelectric parameters of high power LED lighting system［J］.Chinese Journal of Luminescence，2010，31（1）：96-100（in Chinese）.

［12］馬澤濤，朱大慶，王曉軍.一種高功率LED封裝的熱分析［J］.半導(dǎo)體光電，2006，27（1）：16－19．MA Z T，ZHU D Q，WANG X J.Thermal analysis of a high power LED package［J］.Semiconductor Optoelectronics，2006，27（1）：16－19（in Chinese）．

［13］方軍，花剛，傅仁利，等.大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)和封裝基板［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2013（2）：140-147 FANG J，HUA G，F(xiàn)U R L，et al.High power white LED package structure and package substrate［J］.Semiconductor Technology，2013（2）：140-147（in Chinese）.

［14］王健，黃先，劉麗，等.溫度和電流對(duì)白光LED發(fā)光效率的影響［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2008，29（2）：358-362. WANG J，HUANG X，LIU L，et al.Effect of temperature and currentontheluminousefficiency of whitelightLED［J］.Chinese Journal of Luminescence，2008，29（2）：358-362（in Chinese）.

Measurement and analysis of characteristic of LED spectrals temperature

LIU Hong-wei，YANG Hua，CHENG Jun-chao，GUO Kai
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

A temperature changing LED spectral measurement system is built，which consisted of semiconductor refrigerating piece and spectrometers，using multi-channel temperature tester to test the chip′s temperature.The relationship between LED spectrum and temperature is measured from 30℃to 80℃.The tested result shows that when the input current is constant，with the temperature increasing，LED electrical power，luminous flux and electro-optic efficiency are reduced.GaN LED peak wavelength is red shift due to band gap diminishing. The function of temperature and light attenuation is obtained by numerical fitting test results.

LED luminous power；luminous efficacy；temperature；peak wavelength

TN364.2

A

1671－024X（2016）04－0085－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.015