大功率白光LED伏安特性和正向電壓溫度特性研究

楊 亭，嚴(yán)啟榮，田世鋒

（廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510500）

1 引言

近年來，由于GaN基發(fā)光二極管（LED）具有體積小、壽命長、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于固體照明、背光源和指示燈等領(lǐng)域。LED的發(fā)光原理是在外電場的作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子擴(kuò)散到PN結(jié)層復(fù)合發(fā)光。輸入LED的電能只有一小部分轉(zhuǎn)換為光能，其余能量都直接或間接地轉(zhuǎn)換為熱能消耗在LED內(nèi)部，使得LED芯片結(jié)溫上升。大功率LED應(yīng)用對(duì)燈具的散熱設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，否則會(huì)因散熱不良對(duì)LED的光電特性產(chǎn)生很大的影響[1～2]。一般情況下，半導(dǎo)體器件PN結(jié)的正向電壓隨溫度的升高而下降，二者近似線性關(guān)系[3]，這一關(guān)系是電學(xué)法測量半導(dǎo)體器件熱阻的基礎(chǔ)。LED老化失效的因素復(fù)雜，本文在分析LED性能時(shí)，研究了器件的正向電壓溫度特性[4]和伏安特性[5～6]，發(fā)現(xiàn)在溫度較高的情況下正向電壓隨溫度的變化偏離了線性關(guān)系，正向電壓隨溫度的變化系數(shù)由負(fù)數(shù)變?yōu)檎龜?shù)，且驅(qū)動(dòng)電流越大偏離越嚴(yán)重。另外，通過伏安特性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)器件在老化后出現(xiàn)在小電流驅(qū)動(dòng)下漏電流增加的現(xiàn)象。通過與同樣型號(hào)的老化器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)器件的正向電壓隨溫度的變化并沒有與文獻(xiàn)報(bào)道產(chǎn)生明顯矛盾[3]。

2 實(shí)驗(yàn)方案與理論分析

2.1 理論分析

實(shí)際的二極管可以看作是由一個(gè)理想二極管、等效串聯(lián)電阻（Rs）和等效并聯(lián)電阻（Rp）組成的。根據(jù)Shockley方程，電流與電壓關(guān)系方程表示為：

由于并聯(lián)電阻接近無窮大，即當(dāng)Rp→∞時(shí)，式（1）變換為：

通過式（2）可求出串聯(lián)電阻Rs，表示為：

其中Is是反向飽和電流，V和I分別是輸入電壓和輸入電流，e為電子電荷，Rs是等效串聯(lián)電阻，Rp是等效并聯(lián)電阻，n為理論因子，k為玻耳茲曼常數(shù)。

反向飽和電流Is與溫度和能帶寬度的關(guān)系為：

A與半導(dǎo)體材料相關(guān)，EG(T)是溫度為T時(shí)的能帶寬度，Varshni公式可以很好地描述能帶寬度和溫度的關(guān)系，可以利用簡單的一級(jí)近似描述為：

其中β為溫度系數(shù)。

式（2）可表示為：

在正向電流恒定的情況下，對(duì)式（6）兩側(cè)求微分，電壓隨溫度的變化關(guān)系為：

式（7）中，等號(hào)右邊前兩項(xiàng)可以看作常數(shù)，對(duì)電壓隨溫度變化系數(shù)影響最大的是第三項(xiàng)，也就是等效串聯(lián)電阻隨溫度的變化。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

國內(nèi)某公司在白光LED燈具老化過程中，發(fā)現(xiàn)有小部分大功率3535燈珠在小電流驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)偏暗現(xiàn)象。針對(duì)這種不良器件設(shè)計(jì)了3種測試實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)大功率LED燈珠老化失效狀況進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)一：選擇1個(gè)偏暗燈珠（樣品a）和2個(gè)發(fā)光亮度一致的燈珠（分別為樣品b和樣品c）進(jìn)行伏安特性（I-V）測試，電壓變化范圍為0～3.5 V。

實(shí)驗(yàn)二：對(duì)樣品a和樣品b進(jìn)行正向電壓溫度特性（V-T）測試。將樣品a和樣品b放進(jìn)恒溫箱，箱體升溫 范 圍 為 40℃ 、55℃ 、70℃ 、85℃ 、100℃ 、120℃ 和150℃，分別通上驅(qū)動(dòng)電流 1 mA、3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA、100 mA、200 mA、300 mA、350 mA 和400 mA，測試LED的正向電壓。測試過程嚴(yán)格控制流過LED的電流大小，測試原理圖如圖1所示。

在本次實(shí)驗(yàn)中，芯片到環(huán)境的熱阻是固定的，在輸入功率恒定的情況下，可以近似認(rèn)為環(huán)境溫度的改變量等于LED芯片溫度的改變值。

圖1 正向電壓溫度特性測試原理圖

實(shí)驗(yàn)三：使用實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的測試方法，選擇另一家國內(nèi)公司的2個(gè)相同封裝方式的3535燈珠（樣品X和樣品Y）分別進(jìn)行I-V測試和不同電流正向電壓溫度特性測試，以便對(duì)比。樣品X為封存樣品，即沒有進(jìn)行老化的燈珠；樣品Y為在85℃恒溫箱體老化約6000 h的燈珠。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 伏安特性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)一可得到樣品a、樣品b和樣品c的正向I-V曲線，如圖2所示。圖中將曲線分成3個(gè)區(qū)域，分別為區(qū)域Ⅰ（0～1.25 V）、區(qū)域Ⅱ（1.25～2.5 V）和區(qū)域Ⅲ（2.5～3.5 V）。在常溫下，GaN材料含有很低的本征載流子濃度，電子濃度為8×10-11cm-3，空穴濃度為2×10-9cm-3。雖然載流子濃度在耗盡層幾乎為零，但是由于載流子會(huì)通過缺陷能級(jí)在耗盡層中復(fù)合，從而導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ出現(xiàn)過剩電流。在區(qū)域Ⅱ中，可以利用I-V數(shù)據(jù)擬合計(jì)算LED的壘層勢壘[7]，在3個(gè)樣品中，樣品a的勢壘最低，該參數(shù)可反映載流子在器件有源區(qū)隧穿能力的強(qiáng)弱。這是由于器件老化后螺旋位錯(cuò)增多，勢壘降低，有源區(qū)的隧穿電流增大，而樣品a老化后更為嚴(yán)重。在區(qū)域Ⅲ，器件處于正常導(dǎo)通發(fā)光狀態(tài)，由于歐姆接觸產(chǎn)生的串聯(lián)電阻使得I-V曲線接近線性狀態(tài)。

圖2 樣品a、b、c的正向I-V曲線

LED在區(qū)域Ⅰ中處于未發(fā)光狀態(tài)，只有非常微小的過剩電流，樣品c的分流電流是最大的。進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ后，樣品a的分流最為厲害，當(dāng)電壓增加到接近啟動(dòng)電壓時(shí)，3個(gè)器件都會(huì)發(fā)出亮度不強(qiáng)的光，但是樣品a會(huì)由于分流電流較大導(dǎo)致發(fā)光更加微弱。在區(qū)域Ⅲ中，LED正常發(fā)光，可以認(rèn)為并聯(lián)電阻的分流電流減少為零，通過樣品c有源層的電流相對(duì)較大，即樣品c內(nèi)阻（串聯(lián)電阻）小，會(huì)相對(duì)較亮，其他器件發(fā)光亮度相當(dāng)。

圖3為樣品X和樣品Y的正向I-V曲線。由圖中曲線可知，老化后的樣品Y在小電流驅(qū)動(dòng)下漏電流較為嚴(yán)重。

圖3 樣品X和樣品Y的正向I-V曲線

可見，老化后的大功率白光LED在小電流驅(qū)動(dòng)下，漏電流會(huì)出現(xiàn)不同程度的增大，其主要原因是由于器件老化后螺旋位錯(cuò)增多，勢壘降低，隧穿電流增大，串聯(lián)電阻也會(huì)增大[8～9]。

3.2 正向電壓溫度特性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

選擇燈珠a和燈珠b進(jìn)行正向電壓溫度特性測試，圖4（a）和（b）分別為樣品a和樣品b在不同電流驅(qū)動(dòng)下正向電壓隨溫度變化的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)LED在大電流驅(qū)動(dòng)和高溫條件下，正向電壓隨溫度的變化偏離了線性關(guān)系，其變化系數(shù)由負(fù)數(shù)變?yōu)檎龜?shù)。

樣品a的電流小于50 mA時(shí)，電壓隨著溫度的變化關(guān)系近似保持了線性關(guān)系。在電流大于50 mA和溫度小于100℃的條件下，器件的正向電壓隨溫度的變化還能保持著線性關(guān)系，但是在大電流和高溫下，器件的正向電壓隨溫度的增加反而升高，偏離線性關(guān)系，特別是在電流大于300 mA且溫度高于150℃時(shí)，器件的電壓明顯大于40℃的初始值，如圖4（a）所示。樣品b在電流大于200 mA的條件下，電壓在溫度大于120℃時(shí)開始偏離線性關(guān)系，并緩慢增大，見圖4（b）。

當(dāng)曲線的斜率由負(fù)值變成正值時(shí)，說明器件的性能出現(xiàn)了問題。由式（7）可知，串聯(lián)電阻是溫度的函數(shù)關(guān)系，即隨溫度的增大而增大。有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道GaN基LED的等效串聯(lián)電阻在一定的溫度范圍內(nèi)相對(duì)恒定，超出這一溫度范圍后就會(huì)迅速增加[2]。初步判斷該廠家芯片的歐姆接觸存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致電壓隨溫度的變化偏離了線性關(guān)系，這種串聯(lián)電阻的不穩(wěn)定性有可能會(huì)影響到器件的可靠性和穩(wěn)定性，譬如壓降增加、光通衰減等。

為了驗(yàn)證該批次樣品實(shí)驗(yàn)的正確性，通過與不同公司相同型號(hào)的器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)器件的正向電壓隨溫度的變化并沒有與文獻(xiàn)報(bào)道的產(chǎn)生明顯矛盾[3]。圖5（a）和（b）分別為樣品X和樣品Y在不同電流驅(qū)動(dòng)下正向電壓隨溫度變化的關(guān)系。在不同的電流驅(qū)動(dòng)下，在一定結(jié)溫范圍內(nèi)，樣品X和樣品Y的電壓與結(jié)溫的關(guān)系并沒有偏離線性關(guān)系。從可靠性上分析，器件的串聯(lián)電阻沒有出現(xiàn)異常，性能比較穩(wěn)定。

圖5 樣品X、Y在不同電流下正向電壓隨溫度變化關(guān)系

4 結(jié)論

通過對(duì)大功率白光LED燈珠的正向電壓溫度特性和伏安特性的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在高溫和大電流驅(qū)動(dòng)的情況下器件的正向電壓隨溫度變化偏離了線性關(guān)系，正向電壓隨溫度的變化系數(shù)由負(fù)數(shù)變?yōu)檎龜?shù)，且器件在老化過程中散熱不良會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電流溢出現(xiàn)象。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種器件出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象會(huì)伴隨著壽命和可靠性問題，主要是芯片的歐姆接觸存在質(zhì)量問題。漏電流出現(xiàn)的主要原因是由于器件老化后螺旋位錯(cuò)增多，勢壘降低，隧穿電流增大，串聯(lián)電阻也增大。本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)備測試簡易，理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，為LED的老化失效分析提供了一種簡便方法。

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