LED光谱温度特性测试与分析

刘宏伟，杨　华，程俊超，郭　凯

（天津工业大学 电子与信息工程学院，天津　300387）

LED光谱温度特性测试与分析

刘宏伟，杨华，程俊超，郭凯

（天津工业大学 电子与信息工程学院，天津300387）

搭建由半导体制冷片和光谱仪组成的LED变温发光特性测试系统，使用多通道温度测试仪记录芯片工作温度，得到LED芯片在30～80℃范围内的发光特性与温度的关系.结果表明：在输入电流恒定时，随着芯片材料温度的不断升高，LED的电功率和光功率降低，LED光效下降趋势明显；同时由于材料禁带宽度减小，GaN LED的蓝光峰值波长发生红移；通过上述测试，利用数值拟合方式得到了芯片发光特性与温度之间的函数关系.

LED光功率；光效；温度；峰值波长

在当今能源稀缺的背景下，LED光源凭借其能效高、寿命长、可靠性高、体积小、可控性好等优点［1］，受到各国政府和科研机构的密切关注.美、日、欧等发达国家均将半导体照明产业和技术纳入未来发展计划，半导体照明将逐步取代传统照明［2-3］.随着LED技术的发展，大电流驱动的功率型LED照明应用越来越广，因此器件的热损耗增加，导致LED的可靠性降低，在一定程度上阻碍了LED技术的应用和推广［4］.

对于大功率LED，芯片热量的散发大多依靠灯具散热器将热量传导出去［5］.散热性能不高的系统，会导致LED在大功率应用时结温过高，使LED光效降低，光衰速度加快［6］.因此对LED照明系统的光－电－热特性进行准确的分析十分必要.Hui［7-8］提出了一种LED光电热分析理论，旨在解决LED器件和系统的结构设计影响，指导LED器件的系统设计.系统有几种变量：热功率（Pheat）、环境温度（Ta）、热沉温度（Ths）、器件热阻（Rjc）、热沉的热阻（Rhs）以及LED芯片的结温（Tj）.该模型主要不足在于模型变量较多，计算复杂，LED的结温等参数较难通过测试手段准确获取.在对LED系统光电热特性进行分析时，LED的输入电能转化为光能和热能，LED芯片温度升高并向外部发光和散热，系统稳定后为动态热平衡状态，系统光电热参数互相耦合影响.对其分析需要联立导热方程、电场麦克斯韦方程和薛定谔方程，求解分析难度较大.

针对上述问题，本文建立了一套变温LED光电热测试系统，研究LED器件的工作温度对LED光电参数的影响，测试得到LED器件LED电功率、光功率参数与工作温度的函数.通过本测试，LED系统光电热耦合分析方程组得到简化，变为导热方程与光电热耦合函数之间的二阶偏微分方程，提高了模拟计算精度和速度.

1　实验部分

测试设备为杭州远方光电信息有限公司生产的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计，测试的环境温度为25℃，工作电流为20 mA，实验样品使用半导体制冷片对LED芯片的工作温度进行控制，工作温度变化范围控制为30～80℃，温升步长为2℃.使用HAAS-2000高精度快速光谱辐射计获取LED芯片的光通量、电功率以及光效等光电参数；器件的工作温度通过MIK-200D多通道温度测试仪获取.整理数据得到稳定后的LED电功率、光功率、光效和峰值波长随芯片材料温度变化的关系.实验中光谱分布及热测量系统的搭建如图1所示.

实验样品为选自瑞丰的I30系列3528白光芯片，功率为0.06 W的GaN白光LED.将LED焊接在印刷电路板（PCB）上，该PCB板与半导体制冷片通过导热胶连接，在半导体制冷片的热面涂上导热胶并连接铝制的圆形散热器，测试其光学性能参数，其结构简图如图2所示.

图2　温度控制系统结构图Fig.2　Structure of temperature control system

2 　结果分析

2.1LED芯片电功率与温度关系

LED普遍驱动方式为恒流驱动，所以在实验过程中保持芯片驱动电流为20 mA，根据光谱分析系统记录的数据，可得到本文样品温度与电功率的变化关系如图3所示.

图3　电功率随温度的变化曲线Fig.3　Curve of electrical power changing with temperature

图1　白光LED的光谱分布及热测量系统Fig.1　White LED spectral distribution and thermal measurement system

实验测试得到LED结电压与工作温度为近似线性关系，该关系与文献［9］中所得结论基本一致.电功率为电流与电压乘积，所以电功率和工作温度之间也呈现近似线性关系.分析其原因为：LED的工作电压受驱动电流、芯片的掺杂、器件结构等因素影响［9］.随着温度的升高，上述参数会随温度发生变化，导致驱动电压随之发生变化，功率变化.LED器件由固定电流驱动时，系统的正向电流密度J保持不变，而J与温度T的关系为［10］：

式中：Vg0为绝对零度时导带底和价带顶的电势差；γ为一常数；k0为玻尔兹曼常数；q为电荷量.通过推导可得，正向电流J是温度T的增函数.温度升高，正向电流增大，若正向电流密度保持不变，则LED温度升高时工作电压VF会呈下降趋势，导致器件功率降低.

2.2LED芯片光功率与温度关系

图4所示为温度与LED样品的光功率之间的关系.

图4　光功率随温度变化的曲线Fig.4　Curve of luminous power changing with temperature

由图4可以看出，随着温度升高，LED光功率下降.LED的电功率等于光功率与热功率之和，设输出的LED光功率为P光，输入的电功率为P电，热耗散功率为P热，转化为热能的这部分功率P热才会引起LED结温温升［11］，可描述为

LED的电光转换效率定义为LED输出光功率与输入电功率之比，一般可描述为

通过改变积分球内测试系统的工作温度，得到不同工作温度下的电光转换效率η，如图5所示.

图5　电光转换效率随温度变化的曲线Fig.5　Curve of electro optic conversion efficiency changing with temperature

由图5可以看出，在驱动电流不变的条件下，LED的电光转换效率η随环境温度的增加而迅速下降.由于P光=ηP电，随着温度的增加，η在下降，P电也在下降，其电光转换效率拟合函数可表示为：

式中：η为电光转换效率；T为温度；A=-3.894×10-4［1/℃］；B=5.464 6×10-6［1/℃2］；公式拟合的相关系数高达0.998 91.由此说明，电光转换效率、电功率和光功率均随着温度的升高而下降.

2.3LED芯片峰值波长与温度关系

LED峰值波长的变化影响白光颜色和相关色温［12］，样品在低温向高温变化下的峰值波长如图6所示.

图6　LED峰值波长随温度变化的曲线Fig.6　Curve of LED peak wavelength changing with temperature

由图6可以看出，随着温度的升高，峰值波长发生红移，即样品的峰值波长由起初的451.3 nm逐渐变为454.8 nm.测试系统工作温度升高，芯片温度升高，禁带宽度减小，根据λ=1 240/Eg可知，温度升高，峰值波长出现红移，峰值波长增大.

2.4LED芯片发光效率与温度关系

光通量是LED器件应用中需要考虑的重要参数，与人眼视觉相应函数关系密切.本测试过程中选用白光LED芯片，色温2 900 K，显色指数75，正向电流20 mA工作条件下，光通量为6流明，对应发光效率为100 lm/W.芯片温度升高，光子的辐射跃迁几率降低，辐射复合率降低，发光效率降低［13-14］，如图7所示.

图7　LED发光效率随温度变化的曲线Fig.7　Curve of LED luminous efficiency changing with temperature

根据图7温度与LED发光效率之间的变化关系可推出本款芯片LED发光效率随温度变化的拟合函数：E=a+b×T+c×T2，拟合的相关系数高达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的工作温度.测试其他同款LED芯片温度与发光效率之间的关系，基本符合得出的结论.

2.5光电热耦合关系方程

本文测试所得光电热耦合关系简化后，可变为导热方程与光电热耦合函数之间的二阶偏微分方程.

导热方程为▽·（-λ▽T）=Q，

光电热耦合函数为

式中：V为热源的体积，在本文中，V是LED芯片的体积，其值为7.84×10-9m3；η为电光转换效率，P电为电功率.此方法可将LED工作中涉及的光电热耦合关系通过热源方程表示出来.

3 结语

通过本文搭建的测试系统，得到了芯片发光特性与温度之间的函数关系.结果表明了白光LED的光电参数受温度影响明显.随着温度升高，LED器件电功率和光功率呈现明显下降趋势；禁带宽度减小，峰值波长发生红移；LED器件的温度升高，器件内部辐射复合率降低，LED的发光效率降低.本文测试所得光热电耦合关系简化后可变为导热方程与光电热耦合函数之间的二阶偏微分方程，可将LED工作中涉及的光电热耦合关系通过热源方程表示出来，对于指导LED灯具设计与分析具有重要的参考价值.

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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