LED热学特性研究及应用实验仪

陈 乾，戴玉蓉，孙贵宁，杨 蕾

(1.东南大学 物理系，江苏 南京 211189；2.四川世纪中科光电技术有限公司，四川 成都 610100)

LED热学特性研究及应用实验仪

陈 乾1，戴玉蓉1，孙贵宁1，杨 蕾2

(1.东南大学 物理系，江苏 南京 211189；2.四川世纪中科光电技术有限公司，四川 成都 610100)

研制了功率型LED热学特性研究及应用实验仪，控温范围为室温～120 °C，控温精度为0.5 °C，分辨率为0.1 °C，设有过载报警功能. 通过脉冲电流法准确测量LED结温，并在此基础上研究温度对功率型LED发光效率的影响以及器件热阻等热学特性.

发光二极管；PN结；结温；照度；热阻

发光二极管(Light emitting diode, LED)在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]. LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内. 对于小功率LED来说，这部分热量很小可以不作考虑. 然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命. 因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]. 将这一问题作为大学物理实验项目引入理工科学生的物理课堂，作为基础物理学与现代工程应用相结合的一个典型案例，将对激发学生实验兴趣和引导学生学以致用有着重要的意义. 目前，涉及LED热效应的物理实验仪器还非常少，特别是能精确测量芯片结温的教学仪器在国内还鲜有所闻[5-6]. 为此，研制了功率型LED热学特性研究及应用实验仪，在利用可调脉冲电流源和控温装置精确测量芯片结温的基础上，研究大功率LED在恒流源驱动下的不同结温、照度以及器件热阻等一系列物理特性. 该仪器已在东南大学物理实验中心开设的课题物理实验中使用，取得了很好的教学效果.

1 实验仪器与原理

1.1 实验仪器

该实验仪包括激励电源、LED特性测试仪、温控仪和测试台4部分，如图1所示. 恒流源分为0～40 mA和0～350 mA两挡，可以匹配多种LED的额定工作电流. 测试仪具有“直流/脉冲”切换功能，在脉冲模式下还可以选择3种不同的占空比，即1∶50，1∶100，1∶1 000. 电压表和电流表的显示范围分别为-9.99～9.999 V和0～999.9 mA. 照度表显示范围为0～19 999 lx，最小分辨率为1 lx. 温控仪控温范围在室温～120.0 ℃，最多可以11挡控温， 每挡控温间隔为10 ℃，控温精度优于0.5 ℃. 测试台采用贴片式PT1000作为传感器测量芯片陶瓷基板的温度. 照度传感器的光谱响应接近人眼的视觉，峰值灵敏度波长为560 nm. 仪器还配备电压电流过载预警和关断功能，在学生实验时起到很好的保护作用.

图1 LED热学特性研究及应用实验仪各分立元件

1.2 结温测量原理

准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础. LED灯的基本结构如图2所示，其芯片的核心结构是半导体的PN结，所谓LED的结温指的是PN结的温度. 由于PN结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温. 本实验仪器采用较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]，其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致. 当给待测LED灯通入幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致. 从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致. 这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压-温度曲线. 由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压-温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到实际的结温.

图2 功率型LED基本结构示意图

2 实验内容与步骤

2.1 筛选合适的脉冲电流源

这部分内容旨在研究当脉冲源脉宽固定时，占空比对结温测量准确性的影响. 通过本实验内容可以确定满足结温准确测量条件的脉冲源. 具体操作方法是对比5 min内各占空比下PN结两端电压的改变量，根据电压与结温的对应关系，总结当脉宽固定时占空比是如何影响LED结温的，并思考表面温度的改变能否间接对其进行印证.

2.2 测量各结温下LED的正向伏安特性曲线

用脉冲法测量LED的正向伏安特性，脉冲源采用2.1中筛选出来的升温最小的占空比. 由于通电引起的升温很小甚至可以忽略，得到的伏安特性曲线是严格的某一温度下的伏安特性曲线，故可以研究不同结温对LED电学性能的影响. 例如：基于测量得到的不同电流下的电压值，绘出不同结温下LED的正向伏安特性曲线族，观察LED正向伏安特性曲线随结温变化的规律，总结结温对LED正向伏安特性的影响；基于不同结温时的电压值，绘出不同电流下LED的电压与结温的关系曲线族，观察各电流下LED的电压与结温是否呈线性关系. 小电流(5 mA)与大电流(300 mA)时，电压与结温的线性度有何差异，并从理论上给出解释.

2.3 研究结温对LED发光性能的影响

采用2.2中确定的结温与电压关系，通过测量恒流工作状态下的电压计算结温，并进一步研究结温对照度的影响. 绘出照度与结温的关系曲线(如图3所示)，思考结温是如何影响LED的发光性能的. LED的光通量或照度受结温的影响较大，随着结温的升高，LED光通量减小，同一截面上照度也随之减小；而当结温下降时，LED的光通量或照度会增加. 一般情况下(正常工作时)，这种情况是可逆的和可恢复的，当结温回到原来的值，光通量或照度也会回到原来的状态.

图3 照度随结温变化

图4给出了LED照度随时间的变化曲线，从图4可以看到，LED被点亮后，其照度会迅速降低，然后逐步趋于稳定.

图4 LED开启后照度随时间的变化曲线

2.4 测量LED的稳态热阻

这部分内容旨在指导学生测量LED的重要的热性能参量热阻. 热阻是导热介质两端的温度差与通过的热流功率的比值(单位°C/W或K/W)，LED的热阻定义为结温TJ与器件表面可测量温度TB之间的温差与额定电流下LED的热耗散功率PH的比值. 目前，一般输入的电能中约85%因无效复合而产生热量，故热耗散功率可通过PH=0.85UI计算得到. 通过实验内容及后面的思考，理解热阻对LED散热的重要性，及对结温的重要影响. 当输入功率一定时，热阻越小，则结温与参考点的温度差越小，即此段散热通道上的散热能力越强，所以通过减小LED散热通道热阻的方法能够降低LED的结温，从而有效延长LED的寿命,改善发光效率.

3 仪器特色与创新

3.1 采用新颖的脉冲电流法测量LED结温

对于通常经过封装的LED，温度传感器的探头难以探测LED的结温. 如何能够准确、快速地测量LED的结温是必须解决的问题，但也是教学仪器设计制作的难点. 该仪器采用工程上新颖的测量方法——脉冲电流法，测量LED结温. 通过短脉冲电流以及高速电压采样电路得到不同温度下LED两端的电压，进而基于测得的电压换算出结温.

3.2 实验内容丰富且具层次性和课题性

该仪器可测量不同结温下LED的伏安特性曲线、不同电流下结温与电压的关系、同一电流下结温与LED发光照度的关系，并可测量热阻. 以上内容可以根据实验的课时数(2～4学时/实验)和教学对象(非物理专业、物理专业、强化班等)的不同进行选择和调整. 另外，仪器设计了不同占空比的脉冲电流源，并保留了小电流K系数法测量结温的操作，可进一步设计“课题研究型实验”，让学生研究小电流K系数法和脉冲电流法测量结温的优缺点和使用条件，深入了解电学参量法的基本思想.

3.3 仪器测量精度高且具过载报警功能

该仪器从教学类仪器的角度来看具有较高的测量精度，控温范围从室温到120 ℃，控温精度为0.5 ℃，分辨率为0.1 ℃. 另外，在日常的教学仪器维护中，电学仪器的维修率相对较高，原因之一是由于学生误操作导致的过载. 在仪器设计时已经考虑了这一因素，提供了过载报警功能，可以使教师和学生在实验过程中及时发现过载问题，从而提高仪器的使用寿命，降低日常的维护和维修成本.

4 结束语

介绍了LED热学特性研究实验仪的基本功能和实验方法. 该仪器的设计理念充分体现了基本物理原理和现代工程应用的有机结合：一方面，对LED的核心部分PN结的研究，能引导学生探索和理解与半导体相关的诸多物理概念和原理，使原本抽象的问题变得容易理解；另一方面，LED也是目前工程技术领域研发的热点之一，新产品不断被推广到生产和生活领域，对LED发热和发光性能的研究能激发学生的实验兴趣，切实体会物理知识在工程技术中的应用.

[1] 陈志忠,秦志新,胡晓东,等. 大功率白光LED的制备和表征[J]. 液晶与显示,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. 结温与热阻制约大功率LED发展[J]. 发光学报,2005,26(6):761-766.

[4] 钟文姣,魏爱香,招瑜. 结温对GaN基白光LED光学特性的影响[J]. 发光学报,2013,34(9):1203-1207.

[5] 李海,肖鑫龙,刘雪峰,等. LED热阻特性的电学测试系统[J]. 物理实验,2011,31(1):39-42.

[6] 邱培镇,顾菊观,胡岳. 基于照度的非接触式大功率白光LED结温测量[J]. 物理实验,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.

[责任编辑：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

江苏省高等教育学会高校实验室研究委员会资助课题(No.GS2015YB21)

陈 乾(1981-),男,江苏常熟人,东南大学物理系高级工程师,博士,从事半导体纳米器件的研究和物理实验教学工作.

TN312.8；O475

A

1005-4642(2017)07-0039-04