交流發(fā)光二極管(AC-LED)結(jié)溫的測(cè)試方法

徐 閣，于德魯，鄒 兵，許 鍵

(上海理工大學(xué)教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093)

引言

AC-LED是近年來出現(xiàn)的可以在工頻電流下直接工作的新型光源，無需變壓轉(zhuǎn)換器和恒流源。當(dāng)前DC-LED變壓轉(zhuǎn)換器直接限制了LED燈具的壽命，浪費(fèi)15%～30%的能耗[1-2]。AC-LED以其壽命長(zhǎng)、電路簡(jiǎn)單、發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)給DC-LED照明帶來挑戰(zhàn)[2]，被寄希望能夠替代DC-LED照明光源。LED PN 結(jié)的溫度對(duì)LED 的使用壽命、輸出光強(qiáng)、主波長(zhǎng)(顏色) 等因素都有很大的影響。在AC-LED 器件及陣列組件中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將比DC-LED復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不合理將導(dǎo)致PN 結(jié)溫度升高,嚴(yán)重影響到AC-LED的性能、使用壽命和可靠性,因此研究結(jié)溫測(cè)試方法對(duì)于AC-LED的應(yīng)用有重要意義。

LED結(jié)溫不可以直接測(cè)量，但可以通過正向電壓、峰值波長(zhǎng)等溫敏參數(shù)來間接測(cè)量。LED的使用者可以根據(jù)制造商給出的熱阻值和封裝外測(cè)試點(diǎn)的溫度來推算結(jié)溫。計(jì)算結(jié)溫的單向熱傳導(dǎo)公為：

Tj=Tout+ReP

(1)

P=PE-PO

(2)

式中，Tj為結(jié)溫；Tout為封裝外測(cè)試點(diǎn)的溫度；P為PN結(jié)的熱損耗功率；Re為PN結(jié)到封裝外部測(cè)試點(diǎn)之間的熱阻值；為PE為熱功率；PO為光功率。

注：圖中實(shí)線為AC-LED電極兩端施加一個(gè)周期的以零相位為起點(diǎn)的正弦電壓，三角點(diǎn)為同步監(jiān)測(cè)到的電流瞬時(shí)值，虛線框?yàn)锳C-LED開啟工作的區(qū)域。

目前針對(duì)DC-LED結(jié)溫測(cè)試的研究已有多種方法。(1)正向電壓法，利用LED PN兩端的正向電壓隨結(jié)溫的變化而線性變化的原理來測(cè)量LED的結(jié)溫。(2)紅外熱成像法，利用紅外非接觸式溫度設(shè)備直接測(cè)量LED芯片的溫度，目標(biāo)器件需要沒有被封裝或者封裝材料折射率需滿足特殊要求，否則測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相差比較大，此種方法測(cè)量精度比較低。(3)峰值波長(zhǎng)法，利用發(fā)光光譜峰值波長(zhǎng)隨溫度變化而位移的原理來測(cè)定結(jié)溫。另外還有管腳法、藍(lán)白比法、有限元法等。其中紅外熱成像法、峰值波長(zhǎng)法、藍(lán)白比法及有限元法等非接觸法可以直接應(yīng)用到AC-LED結(jié)溫測(cè)試中，而正向電壓法卻由于AC-LED驅(qū)動(dòng)電壓是瞬時(shí)變化的而無法直接應(yīng)用。但是非接觸法精度比較低，相比之下DC-LED正向電壓法的電學(xué)測(cè)量方法簡(jiǎn)單且測(cè)試精度非常高，特別是在瞬態(tài)熱響應(yīng)測(cè)量方面是非接觸法難以達(dá)到的，是被最廣泛使用的方法，所以將DC-LED的電學(xué)測(cè)量方法做出進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)用到AC-LED結(jié)溫測(cè)試當(dāng)中是非常有意義的。目前出現(xiàn)針對(duì)AC-LED特性，演變出來的主要有電流有效值法、參考脈沖電流法[3]、閾值電流法[4]等，本文使用一種新的測(cè)試方法——閾值電壓法進(jìn)行了結(jié)溫測(cè)試并將其與峰值波長(zhǎng)法進(jìn)行對(duì)比。

1 測(cè)量原理

閾值電壓和溫度的關(guān)系可以利用肖克利方程[5]導(dǎo)出，如下：

(3)

其中，e是電子電荷，n是理想因子，Vth是閾值電壓，E0是禁帶寬度，Ith是參考閾值電流，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度，A和B是與溫度無關(guān)的常數(shù)。因此,AC-LED的閾值電壓可以用作熱敏參數(shù)估計(jì)Tj。這也是EIA/JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中半導(dǎo)體器件結(jié)溫測(cè)量的理論依據(jù)[6]。

峰值波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系源于Varshni方程[7]，如下：

(4)

其中，E0是禁帶寬度，α和β是Varshni參數(shù)，T是溫度。固態(tài)發(fā)光器件的禁帶寬度會(huì)隨溫度的變化而改變，導(dǎo)致峰值發(fā)射波長(zhǎng)和結(jié)溫之間有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2 測(cè)試裝置及方法

2.1 測(cè)試裝置

此次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置如圖2所示，半導(dǎo)體分析儀采用Keithley 2636A的可編程電流源表，可以作電流/電壓源表，也可以同時(shí)作流過被測(cè)器件兩端的電壓和電流。首先利用Keithley 2636A以編程的方式來模擬輸出交流電壓(可從0相位開始模擬單個(gè)周期或連續(xù)的正弦交流電)，并同步追蹤通過AC-LED的電流瞬時(shí)值。用光譜儀采集AC-LED的發(fā)光光譜。恒溫箱用來給AC-LED加熱到某一特定的溫度，用溫度探測(cè)器監(jiān)測(cè)恒溫箱的溫度。測(cè)試箱只用在室溫條件下結(jié)溫的測(cè)試中。

圖2 測(cè)試裝置的組成Fig.2 The experimental device

本文在使用這兩種方法時(shí)，都參照EIA/JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中提出的定標(biāo)(確定溫度變化參數(shù))和測(cè)試兩步流程進(jìn)行，以便兩種方法對(duì)比。閾值電壓法將AC-LED在交流電壓下開啟工作時(shí)的正向電壓值作為溫度變化參數(shù)來測(cè)量AC-LED的結(jié)溫，峰值波長(zhǎng)法使用發(fā)光光譜的峰值波長(zhǎng)做溫度變化參數(shù)。其中閾值電壓法在測(cè)試步驟中選定的正向電壓值是AC-LED正常工作時(shí)的電壓瞬時(shí)值,為確保一致性在校準(zhǔn)步驟中的正向電壓值也是在不斷變化的正弦電壓中獲得電壓瞬時(shí)值。正向電壓采用閾值電壓，這樣保證AC-LED位于初始工作狀態(tài),結(jié)溫沒有開始升高，最低限度讓測(cè)試結(jié)果免受結(jié)溫自升的影響。

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 閾值電流法

(1)確認(rèn)溫度變化參數(shù)TVC

將被測(cè)AC-LED置于恒溫箱中，初始溫度設(shè)為當(dāng)AC-LED的結(jié)溫達(dá)到之后，給AC-LED輸入的交流電壓。追蹤AC-LED 工作的瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值。根據(jù)追蹤得到的電流變化曲線找到AC-LED的開啟工作時(shí)的閾值電壓,如圖1所示。在每個(gè)交流正弦周期中都有4個(gè)閾值電壓，本文閾值電壓的取值是AC-LED工作后第1個(gè)周期中的第1個(gè)閾值電壓。這樣就可以降低電流對(duì)AC-LED的結(jié)溫度的影響。按照上述步驟從初始溫度開始以一定的溫度間隔上升獲取在不同溫度下AC-LED的閾值電壓。以此得到AC-LED的工作閾值電壓與結(jié)溫變化關(guān)系式如下：

(5)

其中，TVC1為閾值電壓的溫敏參數(shù)；T0為恒溫箱設(shè)置初始溫度。

(2)結(jié)溫測(cè)量

等到AC-LED溫度恢復(fù)到室溫后，給AC-LED供應(yīng)持續(xù)的交流電壓，使其自加熱，當(dāng)AC-LED達(dá)到工作熱平衡時(shí)采集交流AC-LED的正常工作時(shí)的閾值電壓。根據(jù)式(5)和AC-LED正常工作時(shí)的閾值電壓，便可以得到室溫條件下AC-LED的穩(wěn)定工作結(jié)溫。

2.2.2 峰值波長(zhǎng)法

同樣峰值波長(zhǎng)法在定標(biāo)過程中按照上述步驟從初始溫度T0開始以一定的溫度間隔上升獲取在不同溫度下AC-LED的發(fā)光光譜。AC-LED的峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫變化關(guān)系為式(6)。在測(cè)試過程中，當(dāng)AC-LED正常工作達(dá)到熱平衡后采集AC-LED的峰值波長(zhǎng)λj。

(6)

其中，TVC2為峰值波長(zhǎng)的溫敏參數(shù)；λ0為AC-LED結(jié)溫T0時(shí)的峰值波長(zhǎng)。根據(jù)式(6)和峰值波長(zhǎng)λj，便可以得到室溫條件下交流AC-LED的穩(wěn)定工作結(jié)溫Tj。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

首先AC-LED在交流電壓驅(qū)動(dòng)下追蹤不同溫度下的電流瞬時(shí)變化。恒溫箱初始恒溫溫度為40℃，分別在50℃、60℃……100℃，得到AC-LED的電壓和電流瞬時(shí)值。在此次實(shí)驗(yàn)中，AC-LED 的參考閾值電流取If=1mA。圖3是AC-LED在開啟工作區(qū)域的I-V曲線，由圖3可見：AC-LED閾值電壓隨溫度的上升在有規(guī)律的降低。根據(jù)這一系列的閾值電壓值可以得到閾值電壓與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線，如圖4所示，TVC1的值為-0.11V/℃。式(5)可以整理為Tj=-9.09V+900.91。然后測(cè)得AC-LED正常工作時(shí)閾值電壓Vj為88.41V，計(jì)算得到AC-LED 的結(jié)溫為97.32℃。同樣在峰值波長(zhǎng)的定標(biāo)過程中，獲取40℃、50℃……100℃結(jié)溫條件下AC-LED的發(fā)光峰值波長(zhǎng)，得到峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線，如圖4所示，TVC2的結(jié)果為0.05nm/℃。式(6)可以整理為Tj=20λj-8636。最后測(cè)得AC-LED正常工作時(shí)峰值波長(zhǎng)為436.5nm，計(jì)算出結(jié)溫值為94.0℃。

圖3 AC-LED在開啟工作區(qū)域的I-V曲線Fig.3 I-V curve of AC LED at the working region.

圖4 AC-LED的閾值電壓、峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫的變化關(guān)系圖Fig.4 The relationship among the threshold voltage,the peak wavelength and the junction temperature

3.2 誤差分析

首先這兩種方法所得到的結(jié)溫相差在4℃之內(nèi)，說明閾值電壓方法可以用來測(cè)試AC-LED的結(jié)溫。進(jìn)一步分析，閾值電壓法測(cè)試結(jié)溫產(chǎn)生偏差的原因有兩個(gè)，即結(jié)溫自升和閾值電流的測(cè)量誤差。為降低結(jié)溫自升的影響，在定標(biāo)過程中，在AC-LED啟動(dòng)工作的區(qū)域選擇參考閾值電流。雖然閾值電流不可避免會(huì)給結(jié)溫帶來影響，但是如果結(jié)溫自升的時(shí)間控制在1ms，結(jié)溫的升高只有0.5 ℃，而且會(huì)得到非常穩(wěn)定的TVC和閾值電壓，反而提高了測(cè)試的準(zhǔn)確度。在參考閾值電流為1mA，閾值電壓的誤差為±0.2V，引起的結(jié)溫誤差為±2.0℃。綜合考慮這兩方面的誤差，閾值電壓法的結(jié)溫測(cè)試精度為±3.2℃。峰值波長(zhǎng)法的測(cè)試誤差主要來自于測(cè)試設(shè)備，當(dāng)前工業(yè)用光譜儀的典型精度為±0.3nm，直接導(dǎo)致結(jié)溫誤差有±6℃。顯然閾值電壓法的測(cè)試誤差更小。

其次，有些材料器件的峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫沒有線性關(guān)系。雖然許多基于不同材料固態(tài)發(fā)光器件的禁帶寬度會(huì)隨溫度的變化而改變，導(dǎo)致峰值發(fā)射波長(zhǎng)和結(jié)溫之間有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。但是對(duì)于GaN器件有兩個(gè)相互對(duì)立的機(jī)制影響峰值發(fā)射波長(zhǎng)的位移。在InGaN器件中峰值波長(zhǎng)由于量子局限斯塔克效應(yīng)產(chǎn)生紅移，又會(huì)因?yàn)槟軒畛湫?yīng)和電荷屏蔽現(xiàn)象而產(chǎn)生藍(lán)移，二者相違背[8-9]。因此, InGaN器件中峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的線性相關(guān)性[10-13]。

最后，需要考慮哪一種方法能夠更適應(yīng)在工業(yè)條件下直接測(cè)量。這兩種方法需要進(jìn)行一系列的校正測(cè)試，如果AC-LED的制造公差比較大，都將導(dǎo)致很大的測(cè)試誤差。峰值波長(zhǎng)法需要復(fù)雜的高精度的光譜測(cè)試設(shè)備，紅移不明顯的器件則對(duì)測(cè)試設(shè)備的精度要求更高，不適合在工業(yè)條件下使用。閾值電壓法卻能夠相對(duì)簡(jiǎn)單高效的在工業(yè)條件下操作，現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備也能夠滿足方法要求。

4 總結(jié)

本文展示并對(duì)比了兩種不同的AC-LED結(jié)溫測(cè)試方法，即閾值電壓法和峰值波長(zhǎng)法。兩種方法獲得的測(cè)試結(jié)果有較好的一致性。經(jīng)過分析，閾值電壓法的誤差會(huì)更小，易于在工業(yè)上應(yīng)用；而閾值電壓法的最大誤差來自于獲取閾值電壓的誤差,但從根本上還是獲取瞬時(shí)電流的精準(zhǔn)度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,設(shè)備對(duì)電流的采樣率只有10KS/s。如果使用采樣率更高的測(cè)試設(shè)備,這種方法可獲得更精確的測(cè)試結(jié)果。

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