LED光譜溫度特性測試與分析

劉宏偉，楊　華，程俊超，郭　凱

（天津工業大學 電子與信息工程學院，天津　300387）

LED光譜溫度特性測試與分析

劉宏偉，楊華，程俊超，郭凱

（天津工業大學 電子與信息工程學院，天津300387）

搭建由半導體制冷片和光譜儀組成的LED變溫發光特性測試系統，使用多通道溫度測試儀記錄芯片工作溫度，得到LED芯片在30～80℃范圍內的發光特性與溫度的關系.結果表明：在輸入電流恒定時，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光效下降趨勢明顯；同時由于材料禁帶寬度減小，GaN LED的藍光峰值波長發生紅移；通過上述測試，利用數值擬合方式得到了芯片發光特性與溫度之間的函數關系.

LED光功率；光效；溫度；峰值波長

在當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、可控性好等優點［1］，受到各國政府和科研機構的密切關注.美、日、歐等發達國家均將半導體照明產業和技術納入未來發展計劃，半導體照明將逐步取代傳統照明［2-3］.隨著LED技術的發展，大電流驅動的功率型LED照明應用越來越廣，因此器件的熱損耗增加，導致LED的可靠性降低，在一定程度上阻礙了LED技術的應用和推廣［4］.

對于大功率LED，芯片熱量的散發大多依靠燈具散熱器將熱量傳導出去［5］.散熱性能不高的系統，會導致LED在大功率應用時結溫過高，使LED光效降低，光衰速度加快［6］.因此對LED照明系統的光－電－熱特性進行準確的分析十分必要.Hui［7-8］提出了一種LED光電熱分析理論，旨在解決LED器件和系統的結構設計影響，指導LED器件的系統設計.系統有幾種變量：熱功率（Pheat）、環境溫度（Ta）、熱沉溫度（Ths）、器件熱阻（Rjc）、熱沉的熱阻（Rhs）以及LED芯片的結溫（Tj）.該模型主要不足在于模型變量較多，計算復雜，LED的結溫等參數較難通過測試手段準確獲取.在對LED系統光電熱特性進行分析時，LED的輸入電能轉化為光能和熱能，LED芯片溫度升高并向外部發光和散熱，系統穩定后為動態熱平衡狀態，系統光電熱參數互相耦合影響.對其分析需要聯立導熱方程、電場麥克斯韋方程和薛定諤方程，求解分析難度較大.

針對上述問題，本文建立了一套變溫LED光電熱測試系統，研究LED器件的工作溫度對LED光電參數的影響，測試得到LED器件LED電功率、光功率參數與工作溫度的函數.通過本測試，LED系統光電熱耦合分析方程組得到簡化，變為導熱方程與光電熱耦合函數之間的二階偏微分方程，提高了模擬計算精度和速度.

1　實驗部分

測試設備為杭州遠方光電信息有限公司生產的HAAS-2000高精度快速光譜輻射計，測試的環境溫度為25℃，工作電流為20 mA，實驗樣品使用半導體制冷片對LED芯片的工作溫度進行控制，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獲取LED芯片的光通量、電功率以及光效等光電參數；器件的工作溫度通過MIK-200D多通道溫度測試儀獲取.整理數據得到穩定后的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系.實驗中光譜分布及熱測量系統的搭建如圖1所示.

實驗樣品為選自瑞豐的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PCB板與半導體制冷片通過導熱膠連接，在半導體制冷片的熱面涂上導熱膠并連接鋁制的圓形散熱器，測試其光學性能參數，其結構簡圖如圖2所示.

圖2　溫度控制系統結構圖Fig.2　Structure of temperature control system

2 　結果分析

2.1LED芯片電功率與溫度關系

LED普遍驅動方式為恒流驅動，所以在實驗過程中保持芯片驅動電流為20 mA，根據光譜分析系統記錄的數據，可得到本文樣品溫度與電功率的變化關系如圖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的光譜分布及熱測量系統Fig.1　White LED spectral distribution and thermal measurement system

實驗測試得到LED結電壓與工作溫度為近似線性關系，該關系與文獻［9］中所得結論基本一致.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近似線性關系.分析其原因為：LED的工作電壓受驅動電流、芯片的摻雜、器件結構等因素影響［9］.隨著溫度的升高，上述參數會隨溫度發生變化，導致驅動電壓隨之發生變化，功率變化.LED器件由固定電流驅動時，系統的正向電流密度J保持不變，而J與溫度T的關系為［10］：

式中：Vg0為絕對零度時導帶底和價帶頂的電勢差；γ為一常數；k0為玻爾茲曼常數；q為電荷量.通過推導可得，正向電流J是溫度T的增函數.溫度升高，正向電流增大，若正向電流密度保持不變，則LED溫度升高時工作電壓VF會呈下降趨勢，導致器件功率降低.

2.2LED芯片光功率與溫度關系

圖4所示為溫度與LED樣品的光功率之間的關系.

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，轉化為熱能的這部分功率P熱才會引起LED結溫溫升［11］，可描述為

LED的電光轉換效率定義為LED輸出光功率與輸入電功率之比，一般可描述為

通過改變積分球內測試系統的工作溫度，得到不同工作溫度下的電光轉換效率η，如圖5所示.

圖5　電光轉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，在驅動電流不變的條件下，LED的電光轉換效率η隨環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，其電光轉換效率擬合函數可表示為：

式中：η為電光轉換效率；T為溫度；A=-3.894×10-4［1/℃］；B=5.464 6×10-6［1/℃2］；公式擬合的相關系數高達0.998 91.由此說明，電光轉換效率、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系

LED峰值波長的變化影響白光顏色和相關色溫［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，峰值波長發生紅移，即樣品的峰值波長由起初的451.3 nm逐漸變為454.8 nm.測試系統工作溫度升高，芯片溫度升高，禁帶寬度減小，根據λ=1 240/Eg可知，溫度升高，峰值波長出現紅移，峰值波長增大.

2.4LED芯片發光效率與溫度關系

光通量是LED器件應用中需要考慮的重要參數，與人眼視覺相應函數關系密切.本測試過程中選用白光LED芯片，色溫2 900 K，顯色指數75，正向電流20 mA工作條件下，光通量為6流明，對應發光效率為100 lm/W.芯片溫度升高，光子的輻射躍遷幾率降低，輻射復合率降低，發光效率降低［13-14］，如圖7所示.

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

根據圖7溫度與LED發光效率之間的變化關系可推出本款芯片LED發光效率隨溫度變化的擬合函數：E=a+b×T+c×T2，擬合的相關系數高達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.測試其他同款LED芯片溫度與發光效率之間的關系，基本符合得出的結論.

2.5光電熱耦合關系方程

本文測試所得光電熱耦合關系簡化后，可變為導熱方程與光電熱耦合函數之間的二階偏微分方程.

導熱方程為▽·（-λ▽T）=Q，

光電熱耦合函數為

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系通過熱源方程表示出來.

3 結語

通過本文搭建的測試系統，得到了芯片發光特性與溫度之間的函數關系.結果表明了白光LED的光電參數受溫度影響明顯.隨著溫度升高，LED器件電功率和光功率呈現明顯下降趨勢；禁帶寬度減小，峰值波長發生紅移；LED器件的溫度升高，器件內部輻射復合率降低，LED的發光效率降低.本文測試所得光熱電耦合關系簡化后可變為導熱方程與光電熱耦合函數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系通過熱源方程表示出來，對于指導LED燈具設計與分析具有重要的參考價值.

［1］劉紅超.LED產業技術及研究進展 ［J］.上海第二工業大學學報，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產業分析報告［J］.現代顯示，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.光源原理與設計［M］.上海：復旦大學出版社，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展 ［C］//中國光學光電子行業協會光電器件分會.第十二屆全國LED產業研討與學術會議論文集.大連：大連工業出版社，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.半導體物理學［M］.北京：國防工業出版社，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.溫度對大功率LED照明系統光電參數的影響［J］.發光學報，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封裝結構和封裝基板［J］.半導體技術，2013（2）：140-147 FANG J，HUA G，FU 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.溫度和電流對白光LED發光效率的影響［J］.發光學報，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