LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀

陳 乾，戴玉蓉，孫貴寧，楊 蕾

(1.東南大學(xué) 物理系，江蘇 南京 211189；2.四川世紀(jì)中科光電技術(shù)有限公司，四川 成都 610100)

LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀

陳 乾1，戴玉蓉1，孫貴寧1，楊 蕾2

(1.東南大學(xué) 物理系，江蘇 南京 211189；2.四川世紀(jì)中科光電技術(shù)有限公司，四川 成都 610100)

研制了功率型LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀，控溫范圍為室溫～120 °C，控溫精度為0.5 °C，分辨率為0.1 °C，設(shè)有過(guò)載報(bào)警功能. 通過(guò)脈沖電流法準(zhǔn)確測(cè)量LED結(jié)溫，并在此基礎(chǔ)上研究溫度對(duì)功率型LED發(fā)光效率的影響以及器件熱阻等熱學(xué)特性.

發(fā)光二極管；PN結(jié)；結(jié)溫；照度；熱阻

發(fā)光二極管(Light emitting diode, LED)在過(guò)去十幾年里有了飛速的發(fā)展，逐漸突破了僅能作為低功率指示燈光源的限制，被廣泛應(yīng)用于日常照明和顯示等領(lǐng)域[1-2]. LED是通過(guò)外電流注入的電子和空穴在耗盡層中復(fù)合，以輻射復(fù)合產(chǎn)生光子而發(fā)光，同時(shí)也會(huì)有部分復(fù)合能量傳遞給晶格原子或離子，發(fā)生非輻射躍遷，這部分能量轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi). 對(duì)于小功率LED來(lái)說(shuō)，這部分熱量很小可以不作考慮. 然而，對(duì)于大功率照明用LED而言，其發(fā)熱量大幅提高，直接影響到了LED的發(fā)光效率和器件的使用壽命. 因此，研究功率型LED的熱學(xué)與發(fā)光特性不僅涉及半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是目前光電工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)[3-4]. 將這一問(wèn)題作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入理工科學(xué)生的物理課堂，作為基礎(chǔ)物理學(xué)與現(xiàn)代工程應(yīng)用相結(jié)合的一個(gè)典型案例，將對(duì)激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用有著重要的意義. 目前，涉及LED熱效應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)儀器還非常少，特別是能精確測(cè)量芯片結(jié)溫的教學(xué)儀器在國(guó)內(nèi)還鮮有所聞[5-6]. 為此，研制了功率型LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀，在利用可調(diào)脈沖電流源和控溫裝置精確測(cè)量芯片結(jié)溫的基礎(chǔ)上，研究大功率LED在恒流源驅(qū)動(dòng)下的不同結(jié)溫、照度以及器件熱阻等一系列物理特性. 該儀器已在東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)設(shè)的課題物理實(shí)驗(yàn)中使用，取得了很好的教學(xué)效果.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與原理

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

該實(shí)驗(yàn)儀包括激勵(lì)電源、LED特性測(cè)試儀、溫控儀和測(cè)試臺(tái)4部分，如圖1所示. 恒流源分為0～40 mA和0～350 mA兩擋，可以匹配多種LED的額定工作電流. 測(cè)試儀具有“直流/脈沖”切換功能，在脈沖模式下還可以選擇3種不同的占空比，即1∶50，1∶100，1∶1 000. 電壓表和電流表的顯示范圍分別為-9.99～9.999 V和0～999.9 mA. 照度表顯示范圍為0～19 999 lx，最小分辨率為1 lx. 溫控儀控溫范圍在室溫～120.0 ℃，最多可以11擋控溫， 每擋控溫間隔為10 ℃，控溫精度優(yōu)于0.5 ℃. 測(cè)試臺(tái)采用貼片式PT1000作為傳感器測(cè)量芯片陶瓷基板的溫度. 照度傳感器的光譜響應(yīng)接近人眼的視覺(jué)，峰值靈敏度波長(zhǎng)為560 nm. 儀器還配備電壓電流過(guò)載預(yù)警和關(guān)斷功能，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)起到很好的保護(hù)作用.

圖1 LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀各分立元件

1.2 結(jié)溫測(cè)量原理

準(zhǔn)確測(cè)量LED的結(jié)溫是研究LED熱學(xué)特性的基礎(chǔ). LED燈的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其芯片的核心結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體的PN結(jié)，所謂LED的結(jié)溫指的是PN結(jié)的溫度. 由于PN結(jié)的尺寸很小，又被熒光材料和樹(shù)脂膠包裹，無(wú)法直接測(cè)量其溫度，因此常用間接法來(lái)測(cè)量結(jié)溫. 本實(shí)驗(yàn)儀器采用較為新穎的脈沖法測(cè)量結(jié)溫，該方法于2008年由美國(guó)NIST實(shí)驗(yàn)室提出[7]，其核心思想是通過(guò)脈沖電流來(lái)限制結(jié)溫TJ的上升，使之與器件表面可測(cè)量溫度TB接近一致. 當(dāng)給待測(cè)LED燈通入幅值為額定值的脈沖電流時(shí)，芯片在脈沖內(nèi)正常發(fā)光并升溫，但由于電流占空比很小，芯片溫度會(huì)在較長(zhǎng)的電流截止?fàn)顟B(tài)下降低到和表面溫度一致. 從整體效果來(lái)看，只要脈沖占空比足夠小，LED的芯片溫度能維持和表面溫度一致. 這樣，只要借助溫控儀就能在脈沖電流下定標(biāo)出芯片兩端的電壓-溫度曲線. 由于在電流一定時(shí)，特定PN結(jié)的壓降僅和結(jié)溫有關(guān)，所以在有了LED的電壓-溫度曲線后，只需測(cè)量正常工作時(shí)LED兩端的電壓就可以得到實(shí)際的結(jié)溫.

圖2 功率型LED基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

2.1 篩選合適的脈沖電流源

這部分內(nèi)容旨在研究當(dāng)脈沖源脈寬固定時(shí)，占空比對(duì)結(jié)溫測(cè)量準(zhǔn)確性的影響. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以確定滿足結(jié)溫準(zhǔn)確測(cè)量條件的脈沖源. 具體操作方法是對(duì)比5 min內(nèi)各占空比下PN結(jié)兩端電壓的改變量，根據(jù)電壓與結(jié)溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總結(jié)當(dāng)脈寬固定時(shí)占空比是如何影響LED結(jié)溫的，并思考表面溫度的改變能否間接對(duì)其進(jìn)行印證.

2.2 測(cè)量各結(jié)溫下LED的正向伏安特性曲線

用脈沖法測(cè)量LED的正向伏安特性，脈沖源采用2.1中篩選出來(lái)的升溫最小的占空比. 由于通電引起的升溫很小甚至可以忽略，得到的伏安特性曲線是嚴(yán)格的某一溫度下的伏安特性曲線，故可以研究不同結(jié)溫對(duì)LED電學(xué)性能的影響. 例如：基于測(cè)量得到的不同電流下的電壓值，繪出不同結(jié)溫下LED的正向伏安特性曲線族，觀察LED正向伏安特性曲線隨結(jié)溫變化的規(guī)律，總結(jié)結(jié)溫對(duì)LED正向伏安特性的影響；基于不同結(jié)溫時(shí)的電壓值，繪出不同電流下LED的電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線族，觀察各電流下LED的電壓與結(jié)溫是否呈線性關(guān)系. 小電流(5 mA)與大電流(300 mA)時(shí)，電壓與結(jié)溫的線性度有何差異，并從理論上給出解釋.

2.3 研究結(jié)溫對(duì)LED發(fā)光性能的影響

采用2.2中確定的結(jié)溫與電壓關(guān)系，通過(guò)測(cè)量恒流工作狀態(tài)下的電壓計(jì)算結(jié)溫，并進(jìn)一步研究結(jié)溫對(duì)照度的影響. 繪出照度與結(jié)溫的關(guān)系曲線(如圖3所示)，思考結(jié)溫是如何影響LED的發(fā)光性能的. LED的光通量或照度受結(jié)溫的影響較大，隨著結(jié)溫的升高，LED光通量減小，同一截面上照度也隨之減??；而當(dāng)結(jié)溫下降時(shí)，LED的光通量或照度會(huì)增加. 一般情況下(正常工作時(shí))，這種情況是可逆的和可恢復(fù)的，當(dāng)結(jié)溫回到原來(lái)的值，光通量或照度也會(huì)回到原來(lái)的狀態(tài).

圖3 照度隨結(jié)溫變化

圖4給出了LED照度隨時(shí)間的變化曲線，從圖4可以看到，LED被點(diǎn)亮后，其照度會(huì)迅速降低，然后逐步趨于穩(wěn)定.

圖4 LED開(kāi)啟后照度隨時(shí)間的變化曲線

2.4 測(cè)量LED的穩(wěn)態(tài)熱阻

這部分內(nèi)容旨在指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量LED的重要的熱性能參量熱阻. 熱阻是導(dǎo)熱介質(zhì)兩端的溫度差與通過(guò)的熱流功率的比值(單位°C/W或K/W)，LED的熱阻定義為結(jié)溫TJ與器件表面可測(cè)量溫度TB之間的溫差與額定電流下LED的熱耗散功率PH的比值. 目前，一般輸入的電能中約85%因無(wú)效復(fù)合而產(chǎn)生熱量，故熱耗散功率可通過(guò)PH=0.85UI計(jì)算得到. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及后面的思考，理解熱阻對(duì)LED散熱的重要性，及對(duì)結(jié)溫的重要影響. 當(dāng)輸入功率一定時(shí)，熱阻越小，則結(jié)溫與參考點(diǎn)的溫度差越小，即此段散熱通道上的散熱能力越強(qiáng)，所以通過(guò)減小LED散熱通道熱阻的方法能夠降低LED的結(jié)溫，從而有效延長(zhǎng)LED的壽命,改善發(fā)光效率.

3 儀器特色與創(chuàng)新

3.1 采用新穎的脈沖電流法測(cè)量LED結(jié)溫

對(duì)于通常經(jīng)過(guò)封裝的LED，溫度傳感器的探頭難以探測(cè)LED的結(jié)溫. 如何能夠準(zhǔn)確、快速地測(cè)量LED的結(jié)溫是必須解決的問(wèn)題，但也是教學(xué)儀器設(shè)計(jì)制作的難點(diǎn). 該儀器采用工程上新穎的測(cè)量方法——脈沖電流法，測(cè)量LED結(jié)溫. 通過(guò)短脈沖電流以及高速電壓采樣電路得到不同溫度下LED兩端的電壓，進(jìn)而基于測(cè)得的電壓換算出結(jié)溫.

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富且具層次性和課題性

該儀器可測(cè)量不同結(jié)溫下LED的伏安特性曲線、不同電流下結(jié)溫與電壓的關(guān)系、同一電流下結(jié)溫與LED發(fā)光照度的關(guān)系，并可測(cè)量熱阻. 以上內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)數(shù)(2～4學(xué)時(shí)/實(shí)驗(yàn))和教學(xué)對(duì)象(非物理專業(yè)、物理專業(yè)、強(qiáng)化班等)的不同進(jìn)行選擇和調(diào)整. 另外，儀器設(shè)計(jì)了不同占空比的脈沖電流源，并保留了小電流K系數(shù)法測(cè)量結(jié)溫的操作，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)“課題研究型實(shí)驗(yàn)”，讓學(xué)生研究小電流K系數(shù)法和脈沖電流法測(cè)量結(jié)溫的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件，深入了解電學(xué)參量法的基本思想.

3.3 儀器測(cè)量精度高且具過(guò)載報(bào)警功能

該儀器從教學(xué)類儀器的角度來(lái)看具有較高的測(cè)量精度，控溫范圍從室溫到120 ℃，控溫精度為0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃. 另外，在日常的教學(xué)儀器維護(hù)中，電學(xué)儀器的維修率相對(duì)較高，原因之一是由于學(xué)生誤操作導(dǎo)致的過(guò)載. 在儀器設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了這一因素，提供了過(guò)載報(bào)警功能，可以使教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)載問(wèn)題，從而提高儀器的使用壽命，降低日常的維護(hù)和維修成本.

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了LED熱學(xué)特性研究實(shí)驗(yàn)儀的基本功能和實(shí)驗(yàn)方法. 該儀器的設(shè)計(jì)理念充分體現(xiàn)了基本物理原理和現(xiàn)代工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合：一方面，對(duì)LED的核心部分PN結(jié)的研究，能引導(dǎo)學(xué)生探索和理解與半導(dǎo)體相關(guān)的諸多物理概念和原理，使原本抽象的問(wèn)題變得容易理解；另一方面，LED也是目前工程技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的熱點(diǎn)之一，新產(chǎn)品不斷被推廣到生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，對(duì)LED發(fā)熱和發(fā)光性能的研究能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，切實(shí)體會(huì)物理知識(shí)在工程技術(shù)中的應(yīng)用.

[1] 陳志忠,秦志新,胡曉東,等. 大功率白光LED的制備和表征[J]. 液晶與顯示,2004,19(2):83-86.

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[3] 余彬海,王浩. 結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào),2005,26(6):761-766.

[4] 鐘文姣,魏愛(ài)香,招瑜. 結(jié)溫對(duì)GaN基白光LED光學(xué)特性的影響[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào),2013,34(9):1203-1207.

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[責(zé)任編輯：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

江蘇省高等教育學(xué)會(huì)高校實(shí)驗(yàn)室研究委員會(huì)資助課題(No.GS2015YB21)

陳 乾(1981-),男,江蘇常熟人,東南大學(xué)物理系高級(jí)工程師,博士,從事半導(dǎo)體納米器件的研究和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

TN312.8；O475

A

1005-4642(2017)07-0039-04