溫度對LED的影響分析

1、精品文檔LED(Light Emitting Diode：發(fā)光二極管 )作為第四代光源，因其節(jié)能、環(huán)保、長壽命等優(yōu)點極具發(fā)展前景。但因為LED 對溫度極為敏感，結(jié)溫升高會影響LED 的壽命、光效、光色 (波長 )、色溫、光形(配光 ) 以及正向電壓、最大注入電流、光度、色度、電氣參數(shù)以及可靠性等。本文詳細分析了溫度升高對LED 各光電參數(shù)及可靠性的影響，以利于LED 芯片和LED 照明產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。一、溫度過高會對LED 造成永久性破壞(1)LED 工作溫度超過芯片的承載溫度將會使LED 的發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯的光衰，并造成損壞;(2)LED 多以透明環(huán)氧樹脂封裝，若結(jié)溫超過固相轉(zhuǎn)變溫

2、度(通常為 125 )，封裝材料會向橡膠狀轉(zhuǎn)變并且熱膨脹系數(shù)驟升，從而導致LED 開路和失效。二、溫度升高會縮短LED 的壽命LED 的壽命表現(xiàn)為它的光衰，也就是時間長了，亮度就越來越低，直到最后熄滅。通常定義 LED 光通量衰減30% 的時間為其壽命。通常造成 LED 光衰的原因有以下幾方面：(1)LED 芯片材料內(nèi)存在的缺陷在較高溫度時會快速增殖、繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復合中心，嚴重降低LED 的發(fā)光效率。另外，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質(zhì)也會引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級，同樣會加速LED 器件的光衰 1 。.精品文檔(2) 高溫時透明環(huán)氧樹脂會變

3、性、發(fā)黃，影響其透光性能，工作溫度越高這種過程將進行得越快，這是 LED 光衰的又一個主要原因。(3) 熒光粉的光衰也是影響 LED 光衰的一個主要原因，因為熒光粉在高溫下的衰減十分嚴重。所以，高溫是造成LED 光衰，縮短LED 壽命的主要根源。不同品牌 LED 的光衰是不同的， 通常 LED 廠家會給出一套標準的光衰曲線。例如 PhilipsLumiled公司的 Luxeon K2的光衰曲線如圖1 所示，當結(jié)溫從115 提高到135 ，其壽命就會從 50 ， 000 小時縮短到20 ，000 小時。圖 1 Lumiled Luxeon K2的光衰曲線高溫導致的LED 光通量衰減是不可恢復的，

4、LED 沒有發(fā)生不可恢復的光衰減前的光通量，稱為LED 的“初始光通量”。三、溫度升高會降低LED 的發(fā)光效率.精品文檔溫度影響 LED 光效的原因包括以下幾個方面：(1) 溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小。(2) 溫度升高， 勢阱中電子與空穴的輻射復合幾率降低， 造成非輻射復合 (產(chǎn)生熱量 )，從而降低 LED 的內(nèi)量子效率 2 。(3) 溫度升高導致芯片的藍光波峰向長波方向偏移，使芯片的發(fā)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配，也會造成白光LED 外部光提取效率的降低3 。(4) 隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，LED 的外部光提取效率降低。(5) 硅

5、膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響 LED 光效。一般情況下， 光通量隨結(jié)溫的增加而減小的效應(yīng)是可逆的。也就是說當溫度回復到初始溫度時， 光輸出通量會有一個恢復性的增長。這是因為材料的一些相關(guān)參數(shù)會隨溫度發(fā)生變化，從而導致LED 器件參數(shù)的變化，影響LED 的光輸出。當溫度恢復至初態(tài)時，LED 器件參數(shù)的變化隨之消失，LED 光輸出也會恢復至初態(tài)值。對此，LED 的光通量值有“冷流明”和“熱流明”之分，分別表示LED 結(jié)點在室溫和某一溫度下時LED 的光輸出。一般， LED 光通量與結(jié)溫的關(guān)系可以用式(1) 表示 :(1).精品文檔其中

6、，表示結(jié)溫時的光通量 (lm);表示結(jié)溫時的光通量 (lm);為溫度系數(shù) (1/ );為 LED 結(jié)溫的差值，即。一般情況下，值可由實驗測定。例如對于InGaAlP基 LED 相關(guān)的值如表 1 所示。LED 材質(zhì)類別溫度系數(shù) (1/ )InGaAlP/GaAs橙紅色9.52×10-3InGaAlP/GaAs黃色1.11 10×-2InGaAlP/GaP高亮紅9.52×10-3InGaAlP/GaP黃色9.52×10-2表 1 不同材質(zhì)類別 LED 的溫度系數(shù)圖 2 不同 k 值 LED 的光輸出 (百分比 )隨結(jié)溫的變化關(guān)系由圖 2 可以看出： LED

7、光效溫度系數(shù)k 最好在 2.0 ×10-3 以下，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會很大。例如，InGaN類 LED 的 k 值約為 1.2 ×10-3 ，結(jié)溫 125 時光輸出相對結(jié)溫25 時降低約11% 。.精品文檔目前，使用最多的GaN 基白光 LED 的溫度系數(shù)大多在2.0 ×10-3 4.0 ×10-3之間，有的甚至達到了5.0 ×10-3 。 k 值偏大的LED，更要注意控制結(jié)溫。四、溫度對LED 發(fā)光波長 (光色 ) 的影響LED 的發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波長。峰值波長即光強最大的波長，而主波長可由 X、 Y 色度坐標

8、決定，反映了人眼所感知的顏色。顯然，結(jié)溫所引致的LED 發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對LED 發(fā)光顏色的不同感受。對于一個LED 器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。溫度升高， 材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。通?？蓪⒉ㄩL隨結(jié)溫的變化表示為式(2) ：其中 :表示結(jié)溫時的波長 (nm);表示結(jié)溫時的波長 (nm);表示波長隨溫度變化的系數(shù)，一般在0.1 0.3nm/K之間 ;。五、溫度對LED 正向電壓的影響正向電壓是判定LED 性能的一個重要參量，其大小取決于半導體材料的特性、芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。相對于 20mA的正向電流通

9、常InGaAlP LED的正向電壓在 1.8 2.2V 之間， InGaN LED的正向電壓處在3.0 3.5V 之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降可由式(3) 表示：.精品文檔(3)式中，為正向電壓，為正向電流，為反向飽和電流，為電子電荷，是玻爾茲曼常數(shù)，是串聯(lián)電阻，是表征 P/N 結(jié)完美性的一個參量，處在 1 2 之間。式(3) 的右邊只有反向飽和電流與溫度密切相關(guān)，值隨結(jié)溫的升高而增大，導致正向電壓值的下降。實驗指出，在輸入電流恒定的情況下，對于一個確定的LED 器件，兩端的正向壓降與溫度的關(guān)系可由式(4) 表示：(4)式 (4) 中，與分別表示結(jié)溫為與時的正向壓降，是壓降隨溫度變化的系數(shù)，一般在-1.5 -2.5mV/K之間 ;。當電流固定時，溫度升高，LED 正向電壓會下降。由于正向電壓與溫度的關(guān)系接近線性，所以大多LED 熱阻測試儀器利用LED 的這一特性測量其熱阻或結(jié)溫。六、溫度過高會限制LED 的最大注入電流溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導致最大注入電流減小。.精品文檔圖 3 Cree 3WXLampXP-E 最大注入電流與結(jié)溫的關(guān)系另外，溫度還會影響LED 的配光曲線、色溫及顯色性。溫度影響透光材料折射率，會改變