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文章较详尽地阐述了结温升高对LED 光输出强度、LED P-N 结的正向电压及发光颜色的影 响.指出当结温升高时,输出光强变弱,正向电压减小,发光波长发生红移.在结温升得足够高时, 这些变化将从可逆变为不可恢复的永久性衰变.文章进一步指出,LED 输入功率是器件热效 应的唯一来源,设法提高器件的电光转换效率及提高器件的散热能力是减小LED 温升效应的 主要途径. 一、引言 众所周知,LED 是一种电发光器件,其基本的物理过程是电能向光能的转变.所谓提高 LED 的功率,即是提高电输入能量, 同时又能获得尽可能大的光功率输出.通常将单位输入功 率所产生的光能(光通量)谓之光电转换功率,简称光效.早期的LED 由于光效很低(-0.1 lm/w), 亮度很低,通常只用于表示亮、暗的状态,作指示灯之用.上世纪九十年代初,超高亮四元系 LED 的出现,使器件亮度有了数量级的增长,特别是紧接着的GaN 基蓝、绿光及白光LED 的 出现,使 LED 的应用方向发生了巨大的改变.固态照明已成为 21 世纪人类追求的重要目标. 显然,不断地提高LED 的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路.假设LED 的光效 为100 lm/w,那么要达到一只40 支光(瓦) 的白炽灯所发出的600 lm 的光通量,LED 的输入功 率必须达到6w.然而, 目前一只Φ5 的标准LED 的输入功率通常为0.04~0.07w,远不能满足实 用照明的需要.大量实践表明,LED 不能加大输入功率的基本原因,是由于LED 在工作过程中 会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,输入功率越高,发热效应越大.温度的升高将导致器件 性能的变化与衰减,甚至失效.本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种 升温效应的途径作一些简明的讨论. 二、LED 器件温升估计 设芯片面积为 1.2×1.2mm2,厚度为200um,GaAs 衬底. 由于外延层很薄,忽略外延层材料 与衬底之间的差异,不考虑电极的影响,那么芯片的体积约为2.88×10×4cm3.GaAs 晶体的比重 为5.318(克/cm3),故芯片重量约为15.3×10-4 克.设器件的工作电流为100mA,如其中约90% 的 电功率转变为热,那么在不考虑芯片向周围环境散热的条件下,器件在接通电流 20 分钟后,计 算得芯片的温度可达到 5×105˚C,计算中使用的GaAs 晶体比热数据为0.33 焦耳/克•度.可见 其温升效应的严重性.这里只是把芯片作为一个均匀的发热体加以考虑,如考虑到结处温升的 集中效应,情况将更加严重.庆幸的是,在芯片的升温过程中,芯片不可能处于绝热状态,而总是 以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换,最终达到热平衡,使芯片的温度维持在一个 较低的水准上. 三、结温对LED 性能的影响 1 、结温对LED 光输出的影响 实验指出,发红、黄光的InGaAlP LED 与发蓝、绿光的InGaN LED,其光输出强度均明 显依赖于器件的结温.也就是说,当LED 的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结 温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值, 光强也会回复到原来的状态. 图1(a)指出了InGaAlP LED 的光输出相对量随温度的变化,这里以25˚C 作为器件性能 的基准点. 由图可知,InGaAlP 橙色的LED 比红色的LED 具有更高的温度灵敏度.当结温升至 100˚C 时,琥珀色器件的输出通量降去了75%. 图1(b)是InGaAlP LED 的另一组光输出的温度 数据,设25˚C 时LED 的值为100,那么当结温升至100˚C 时,640nm、620nm 与590nm 的InGaAlP LED 的光输出分别为原始值的42% 、30%与20%. 结温对光输出影响的数学表达式如式(1)所示: ΦV(T2)=ΦV(T1)e-kΔT (1) 其中, ΦV(T2)表示结温T2 的光通量输出; ΦV(T1)表示结温T1 的光通量输出;K 为温度 系数; ΔT=T2- T1. 一般情况下,K 值可由实验测定,对于InGaAlP LED 相关的K 值如表1 所示: 由上表可知,对于InGaAlP LED,温度系数仅与器件的发光波长有关,而与衬底是否透明 无关,进一步的实验指出,InGaAlP 的发光波长越短,K 值越大.器件的出光通量随温度增加衰减 得越快.对于InGaN 系列的LED,