溫度對LED性能的影響

摘要：從LED發(fā)光原理出發(fā)，結(jié)合實驗將紅藍(lán)橢圓燈分別在室溫和85℃的恒溫箱中用20 mA電流點亮168 h后測試其法向光強(qiáng)及正向電壓，然后分析了PN結(jié)溫度和環(huán)境溫度對LED性能的影響。
關(guān)鍵詞：LED；橢圓燈；法向光強(qiáng)；正向電壓；PN結(jié)

0 引言
    與傳統(tǒng)光源相比，LED光源為固體冷光源，具有壽命長，光效高，無輻射，功耗低，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高等特性。在全球提倡綠色照明的今天，LED作為新型綠色照明光源受到全球的追捧。然而，在LED高速發(fā)展的同時，如何進(jìn)一步提高LED的壽命及可靠性確是迫在眉睫的事。本文從理論和實驗出發(fā)，研究并分析了溫度對LED性能的影響，從而提出可以提高LED的壽命和可靠性問題的方法。

1 LED發(fā)光原理
    LED是一種半導(dǎo)體二極管，核心發(fā)光部分為P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)，LED除了具有一般PN結(jié)特性外，還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)．空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)出光子，發(fā)光原理如圖1所示。

2 溫度對LED性能的影響
2. 1 溫度對LED發(fā)光強(qiáng)度的影響
    當(dāng)PN結(jié)溫度上升時，半導(dǎo)體的晶格振動幅度增加，當(dāng)原子的振動能量高于一定值時，電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時會與晶格原子(或離子)交換能量，發(fā)生無輻射躍遷。這種過程的幾率隨溫度的增加而呈指數(shù)式增加。因此，當(dāng)溫度上升到一定程度之后，半導(dǎo)體的尢輻射躍遷增加，內(nèi)量子效率降低，從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降。
    當(dāng)溫度上升時，LED封裝用環(huán)氧樹脂會逐漸變性，發(fā)黃，從而影響環(huán)氧樹脂的透光性能，導(dǎo)致外量子效率降低，發(fā)光強(qiáng)度下降。
2. 2 溫度對LED正向電壓的影響
    正向電壓是判定LED性能的一個重要參數(shù)。通常InGaA1P LED 20 mA正向電流下的正向電壓在1．8～2. 2 V之間，InGaN LED的正向電壓處在3．0～3 6 V之間。在小電流近似下，LED的正向電壓可表示為：
   
    式中，Vf為正向電壓，If為正向電流，I0為反向飽和電流，q為電子電荷，k是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是串聯(lián)電阻，n是表征PN結(jié)完美性的一個參量，處在1～2之間。式(1)右邊的反向飽和電流I0與溫度密切相關(guān)，I0值隨溫度的升高而增大，導(dǎo)致正向電壓
Vf下降。
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3 實驗研究
    這里以紅藍(lán)光橢圓燈為例來研究溫度對LED性能的影響。其實驗設(shè)計是：分別用晶元AIGaInP紅色芯片Es-SAHRPN10和silan InGaN藍(lán)色芯片SL-NBIT0300試制紅藍(lán)橢圓燈。紅光固晶膠用普通銀膠，藍(lán)光固晶膠為普通絕緣膠，支架用鐵支架，封裝用普通環(huán)氧樹脂。取20只成品藍(lán)橢圓燈，編號1～20，再用JF光強(qiáng)測試儀測試1～20號橢圓燈在室溫20mA下的法向光強(qiáng)Iv及正向電壓Vf，測試數(shù)據(jù)后，再將20只管子分成兩組：將1～10號燈在室溫20 mA下點亮168 h；11～20號燈放入85℃恒溫箱中，也在20 mA下點亮168 h。實驗后仍用JF光強(qiáng)測試儀測試各組在室溫20 mA下的法向光強(qiáng)Iv及正向電壓Vf。然后對紅橢圓燈也做以上分組實驗。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析
    表1～表4所列就是實驗所測試的數(shù)據(jù)。

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    從上述實驗數(shù)據(jù)可以看出，PN結(jié)溫度和環(huán)境溫度對LED發(fā)光強(qiáng)度及正向電壓的影響。
    在85℃情況下，藍(lán)光的平均光衰為12．68％，正向電壓下降了0．05 V而室溫下藍(lán)光的平均光衰只有3．32％，正向電壓下降0．01 V；對于紅光而言亦有如此趨勢，在85℃情況下的平均光衰為9．97％，正向電壓下降0．031 V而室溫下的平均光衰為1．89％，正向電壓下降0．004 V。說明環(huán)境溫度升高，LED光衰嚴(yán)重同時正向電壓下降幅度大。
    表1和表3還反映出了紅藍(lán)LED在室溫20mA條件下持續(xù)點亮?xí)r，LED內(nèi)部溫度升高對光衰的影響，同時也可以看出，藍(lán)光的光衰比紅光的光衰更加嚴(yán)重，此現(xiàn)象可以從兩個方面解釋：其一，藍(lán)光用的固晶膠為絕緣膠，而紅光的固晶膠為銀膠，絕緣膠的導(dǎo)熱性很弱，導(dǎo)致藍(lán)光散熱不如紅光，藍(lán)光PN結(jié)溫度略高于紅光，溫度越高，光衰越嚴(yán)重；其二，在紫外光暴露下，環(huán)氧樹脂的物理性能會發(fā)生變化，導(dǎo)致透光率下降，而藍(lán)色芯片會發(fā)射出部分的短波光，在長時間的短波照射下，環(huán)氧樹脂的透光率下降，發(fā)光強(qiáng)度下降。

5 結(jié)論
    通過本文的研究實驗可以看出，溫度對LED的性能有很大的影響。
    當(dāng)溫度升高時，LED的光衰嚴(yán)重，壽命降低。因此，在LED封裝中，為提高LED的壽命及可靠性，應(yīng)考慮LED的溫度及散熱問題，可以通過一系列的方法降低熱阻，以達(dá)到散熱的目的；如采用導(dǎo)熱性能良好的銅支架取代鐵支架；對于單電極芯片可以選用高導(dǎo)熱銀膠；對于藍(lán)白光采用抗UV，抗黃變性好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝；
    而當(dāng)溫度升高時，LED的正向電壓下降，在實際使用過程中，若采用恒壓驅(qū)動，由于正向電壓降低，導(dǎo)致驅(qū)動電流增大，這一方面會導(dǎo)致LED壽命降低，二是會導(dǎo)致一致性性能變差，在大屏使用(如交通燈及顯示屏中)時，會因為每個LED燈的驅(qū)動電流不一樣，而導(dǎo)致亮度不一，從而會出現(xiàn)花屏和明顯的馬賽克區(qū)等問題。因此，在實際使用過程中，應(yīng)采用恒流驅(qū)動以提高LED的壽命及可靠性。