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LED器件的LED灯温升效应及其对策

文章较详尽地阐述了结温升高对LED光输出强度、LEDP-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（-0.1lm/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100lm/w，那么要达到一只40支光（瓦）的白炽灯所发出

的600lm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InGaAlPLED与发蓝、绿光的InGaNLED，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InGaAlPLED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InGaAlPLED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InGaAlPLED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InGaAlPLED相关的K值如表1所示：

由上表可知，对于InGaAlPLED，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