LED熱學特性研究及應用實驗儀

陳 乾，戴玉蓉，孫貴寧，楊 蕾

(1.東南大學 物理系，江蘇 南京 211189；2.四川世紀中科光電技術有限公司，四川 成都 610100)

LED熱學特性研究及應用實驗儀

陳 乾1，戴玉蓉1，孫貴寧1，楊 蕾2

(1.東南大學 物理系，江蘇 南京 211189；2.四川世紀中科光電技術有限公司，四川 成都 610100)

研制了功率型LED熱學特性研究及應用實驗儀，控溫范圍為室溫～120 °C，控溫精度為0.5 °C，分辨率為0.1 °C，設有過載報警功能. 通過脈沖電流法準確測量LED結溫，并在此基礎上研究溫度對功率型LED發光效率的影響以及器件熱阻等熱學特性.

發光二極管；PN結；結溫；照度；熱阻

發光二極管(Light emitting diode, LED)在過去十幾年里有了飛速的發展，逐漸突破了僅能作為低功率指示燈光源的限制，被廣泛應用于日常照明和顯示等領域[1-2]. LED是通過外電流注入的電子和空穴在耗盡層中復合，以輻射復合產生光子而發光，同時也會有部分復合能量傳遞給晶格原子或離子，發生非輻射躍遷，這部分能量轉換成熱能損耗在PN結內. 對于小功率LED來說，這部分熱量很小可以不作考慮. 然而，對于大功率照明用LED而言，其發熱量大幅提高，直接影響到了LED的發光效率和器件的使用壽命. 因此，研究功率型LED的熱學與發光特性不僅涉及半導體物理的基礎問題，也是目前光電工程領域的開發熱點[3-4]. 將這一問題作為大學物理實驗項目引入理工科學生的物理課堂，作為基礎物理學與現代工程應用相結合的一個典型案例，將對激發學生實驗興趣和引導學生學以致用有著重要的意義. 目前，涉及LED熱效應的物理實驗儀器還非常少，特別是能精確測量芯片結溫的教學儀器在國內還鮮有所聞[5-6]. 為此，研制了功率型LED熱學特性研究及應用實驗儀，在利用可調脈沖電流源和控溫裝置精確測量芯片結溫的基礎上，研究大功率LED在恒流源驅動下的不同結溫、照度以及器件熱阻等一系列物理特性. 該儀器已在東南大學物理實驗中心開設的課題物理實驗中使用，取得了很好的教學效果.

1 實驗儀器與原理

1.1 實驗儀器

該實驗儀包括激勵電源、LED特性測試儀、溫控儀和測試臺4部分，如圖1所示. 恒流源分為0～40 mA和0～350 mA兩擋，可以匹配多種LED的額定工作電流. 測試儀具有“直流/脈沖”切換功能，在脈沖模式下還可以選擇3種不同的占空比，即1∶50，1∶100，1∶1 000. 電壓表和電流表的顯示范圍分別為-9.99～9.999 V和0～999.9 mA. 照度表顯示范圍為0～19 999 lx，最小分辨率為1 lx. 溫控儀控溫范圍在室溫～120.0 ℃，最多可以11擋控溫， 每擋控溫間隔為10 ℃，控溫精度優于0.5 ℃. 測試臺采用貼片式PT1000作為傳感器測量芯片陶瓷基板的溫度. 照度傳感器的光譜響應接近人眼的視覺，峰值靈敏度波長為560 nm. 儀器還配備電壓電流過載預警和關斷功能，在學生實驗時起到很好的保護作用.

圖1 LED熱學特性研究及應用實驗儀各分立元件

1.2 結溫測量原理

準確測量LED的結溫是研究LED熱學特性的基礎. LED燈的基本結構如圖2所示，其芯片的核心結構是半導體的PN結，所謂LED的結溫指的是PN結的溫度. 由于PN結的尺寸很小，又被熒光材料和樹脂膠包裹，無法直接測量其溫度，因此常用間接法來測量結溫. 本實驗儀器采用較為新穎的脈沖法測量結溫，該方法于2008年由美國NIST實驗室提出[7]，其核心思想是通過脈沖電流來限制結溫TJ的上升，使之與器件表面可測量溫度TB接近一致. 當給待測LED燈通入幅值為額定值的脈沖電流時，芯片在脈沖內正常發光并升溫，但由于電流占空比很小，芯片溫度會在較長的電流截止狀態下降低到和表面溫度一致. 從整體效果來看，只要脈沖占空比足夠小，LED的芯片溫度能維持和表面溫度一致. 這樣，只要借助溫控儀就能在脈沖電流下定標出芯片兩端的電壓-溫度曲線. 由于在電流一定時，特定PN結的壓降僅和結溫有關，所以在有了LED的電壓-溫度曲線后，只需測量正常工作時LED兩端的電壓就可以得到實際的結溫.

圖2 功率型LED基本結構示意圖

2 實驗內容與步驟

2.1 篩選合適的脈沖電流源

這部分內容旨在研究當脈沖源脈寬固定時，占空比對結溫測量準確性的影響. 通過本實驗內容可以確定滿足結溫準確測量條件的脈沖源. 具體操作方法是對比5 min內各占空比下PN結兩端電壓的改變量，根據電壓與結溫的對應關系，總結當脈寬固定時占空比是如何影響LED結溫的，并思考表面溫度的改變能否間接對其進行印證.

2.2 測量各結溫下LED的正向伏安特性曲線

用脈沖法測量LED的正向伏安特性，脈沖源采用2.1中篩選出來的升溫最小的占空比. 由于通電引起的升溫很小甚至可以忽略，得到的伏安特性曲線是嚴格的某一溫度下的伏安特性曲線，故可以研究不同結溫對LED電學性能的影響. 例如：基于測量得到的不同電流下的電壓值，繪出不同結溫下LED的正向伏安特性曲線族，觀察LED正向伏安特性曲線隨結溫變化的規律，總結結溫對LED正向伏安特性的影響；基于不同結溫時的電壓值，繪出不同電流下LED的電壓與結溫的關系曲線族，觀察各電流下LED的電壓與結溫是否呈線性關系. 小電流(5 mA)與大電流(300 mA)時，電壓與結溫的線性度有何差異，并從理論上給出解釋.

2.3 研究結溫對LED發光性能的影響

采用2.2中確定的結溫與電壓關系，通過測量恒流工作狀態下的電壓計算結溫，并進一步研究結溫對照度的影響. 繪出照度與結溫的關系曲線(如圖3所示)，思考結溫是如何影響LED的發光性能的. LED的光通量或照度受結溫的影響較大，隨著結溫的升高，LED光通量減小，同一截面上照度也隨之減小；而當結溫下降時，LED的光通量或照度會增加. 一般情況下(正常工作時)，這種情況是可逆的和可恢復的，當結溫回到原來的值，光通量或照度也會回到原來的狀態.

圖3 照度隨結溫變化

圖4給出了LED照度隨時間的變化曲線，從圖4可以看到，LED被點亮后，其照度會迅速降低，然后逐步趨于穩定.

圖4 LED開啟后照度隨時間的變化曲線

2.4 測量LED的穩態熱阻

這部分內容旨在指導學生測量LED的重要的熱性能參量熱阻. 熱阻是導熱介質兩端的溫度差與通過的熱流功率的比值(單位°C/W或K/W)，LED的熱阻定義為結溫TJ與器件表面可測量溫度TB之間的溫差與額定電流下LED的熱耗散功率PH的比值. 目前，一般輸入的電能中約85%因無效復合而產生熱量，故熱耗散功率可通過PH=0.85UI計算得到. 通過實驗內容及后面的思考，理解熱阻對LED散熱的重要性，及對結溫的重要影響. 當輸入功率一定時，熱阻越小，則結溫與參考點的溫度差越小，即此段散熱通道上的散熱能力越強，所以通過減小LED散熱通道熱阻的方法能夠降低LED的結溫，從而有效延長LED的壽命,改善發光效率.

3 儀器特色與創新

3.1 采用新穎的脈沖電流法測量LED結溫

對于通常經過封裝的LED，溫度傳感器的探頭難以探測LED的結溫. 如何能夠準確、快速地測量LED的結溫是必須解決的問題，但也是教學儀器設計制作的難點. 該儀器采用工程上新穎的測量方法——脈沖電流法，測量LED結溫. 通過短脈沖電流以及高速電壓采樣電路得到不同溫度下LED兩端的電壓，進而基于測得的電壓換算出結溫.

3.2 實驗內容豐富且具層次性和課題性

該儀器可測量不同結溫下LED的伏安特性曲線、不同電流下結溫與電壓的關系、同一電流下結溫與LED發光照度的關系，并可測量熱阻. 以上內容可以根據實驗的課時數(2～4學時/實驗)和教學對象(非物理專業、物理專業、強化班等)的不同進行選擇和調整. 另外，儀器設計了不同占空比的脈沖電流源，并保留了小電流K系數法測量結溫的操作，可進一步設計“課題研究型實驗”，讓學生研究小電流K系數法和脈沖電流法測量結溫的優缺點和使用條件，深入了解電學參量法的基本思想.

3.3 儀器測量精度高且具過載報警功能

該儀器從教學類儀器的角度來看具有較高的測量精度，控溫范圍從室溫到120 ℃，控溫精度為0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃. 另外，在日常的教學儀器維護中，電學儀器的維修率相對較高，原因之一是由于學生誤操作導致的過載. 在儀器設計時已經考慮了這一因素，提供了過載報警功能，可以使教師和學生在實驗過程中及時發現過載問題，從而提高儀器的使用壽命，降低日常的維護和維修成本.

4 結束語

介紹了LED熱學特性研究實驗儀的基本功能和實驗方法. 該儀器的設計理念充分體現了基本物理原理和現代工程應用的有機結合：一方面，對LED的核心部分PN結的研究，能引導學生探索和理解與半導體相關的諸多物理概念和原理，使原本抽象的問題變得容易理解；另一方面，LED也是目前工程技術領域研發的熱點之一，新產品不斷被推廣到生產和生活領域，對LED發熱和發光性能的研究能激發學生的實驗興趣，切實體會物理知識在工程技術中的應用.

[1] 陳志忠,秦志新,胡曉東,等. 大功率白光LED的制備和表征[J]. 液晶與顯示,2004,19(2):83-86.

[2] Hecht J. White-light LEDs promise a bright future for solid-state illumination [J]. Laser Focus World, 2010,46(11):33-37.

[3] 余彬海,王浩. 結溫與熱阻制約大功率LED發展[J]. 發光學報,2005,26(6):761-766.

[4] 鐘文姣,魏愛香,招瑜. 結溫對GaN基白光LED光學特性的影響[J]. 發光學報,2013,34(9):1203-1207.

[5] 李海,肖鑫龍,劉雪峰,等. LED熱阻特性的電學測試系統[J]. 物理實驗,2011,31(1):39-42.

[6] 邱培鎮,顧菊觀,胡岳. 基于照度的非接觸式大功率白光LED結溫測量[J]. 物理實驗,2015,35(6):32-34.

[7] Zong Yuqin, Ohno Y. New practical method for measurement of high-power LEDs [C]//Proc. CIE Expert Symposium 2008 on Advances in Photometry and Colorimetry. Italy, 2008:102-106.

[責任編輯：任德香]

Apparatus for research and application of thermal properties of LED

CHEN Qian1, DAI Yu-rong1, SUN Gui-ning1, YANG Lei2

(1. Department of Physics, Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Zhongke Instrument Co., Ltd., Chengdu 610100, China)

Apparatus of power-type LED thermal properties was designed, temperature range from room temperature to 120 °C, temperature precision of 0.5 °C, resolution of 0.1 °C were achieved. Overload alarm function was set to improve the service life. Using pulse current method, the accurate junction temperature of a power-type LED was obtained by this apparatus, and the thermal properties, such as illuminance-temperature relation and thermal resistance were studied.

light-emitting diode; PN junction; junction temperature; illuminance; thermal resistance

2016-12-15

江蘇省高等教育學會高校實驗室研究委員會資助課題(No.GS2015YB21)

陳 乾(1981-),男,江蘇常熟人,東南大學物理系高級工程師,博士,從事半導體納米器件的研究和物理實驗教學工作.

TN312.8；O475

A

1005-4642(2017)07-0039-04