溫度對LED的影響分析

　　led(LightEmittingDiode：發光二極體) 作為第四代光源，因其節能、環保、長壽命等優點極具發展前景。但因為LED對溫度極為敏感，結溫升高會影響LED的壽命、光效、光色(波長)、色溫、光形 (配光)以及正向電壓、最大注入電流、光度、色度、電氣參數以及可靠性等。本文詳細分析了溫度升高對LED各光電參數及可靠性的影響，以利於LED晶片和LED照明產品的設計開發。

　　一、溫度過高會對LED造成永久性破壞

　　(1)LED工作溫度超過晶片的承載溫度將會使LED的發光效率快速降低，產生明顯的光衰，並造成損壞;

　　(2)LED多以透明環氧樹脂封裝，若結溫超過固相轉變溫度(通常為125℃)，封裝材料會向橡膠狀轉變並且熱膨脹係數驟升，從而導致LED開路和失效。

　　二、溫度升高會縮短LED的壽命

　　LED的壽命表現為它的光衰，也就是時間長了，亮度就越來越低，直到最後熄滅。通常定義LED光通量衰減30%的時間為其壽命。

　　通常造成LED光衰的原因有以下幾方面：

　　(1)LED晶片材料內存在的缺陷在較高溫度時會快速增殖、繁衍，直至侵入發光區，形成大量的非輻射複合中心，嚴重降低LED的發光效率。

　　另外，在高溫條件下，材料內的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質也會引入發光區，形成大量的深能級，同樣會加速LED器件的光衰[1]。

　　(2)高溫時透明環氧樹脂會變性、發黃，影響其透光性能，工作溫度越高這種過程將進行得越快，這是LED光衰的又一個主要原因。

　　(3)螢光粉的光衰也是影響LED光衰的一個主要原因，因為螢光粉在高溫下的衰減十分嚴重。

　　所以，高溫是造成LED光衰，縮短LED壽命的主要根源。

　　不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED廠家會給出一套標準的光衰曲線。例如PhilipsLumiled公司的LuxeonK2的光衰曲線如圖1所示，當結溫從115℃提高到135℃，其壽命就會從50，000小時縮短到20，000小時。

　　圖1 Lumiled Luxeon K2的光衰曲線

　　高溫導致的LED光通量衰減是不可恢復的，LED沒有發生不可恢復的光衰減前的光通量，稱為LED的「初始光通量」。

　　三、溫度升高會降低LED的發光效率

　　溫度影響LED光效的原因包括以下幾個方面：

　　(1)溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小。

　　(2)溫度升高，勢阱中電子與空穴的輻射複合機率降低，造成非輻射複合(產生熱量)，從而降低LED的內量子效率[2]。

　　(3)溫度升高導致晶片的藍光波峰向長波方向偏移，使晶片的發射波長和螢光粉的激發波長不匹配，也會造成白光LED外部光提取效率的降低[3]。

　　(4)隨著溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，LED的外部光提取效率降低。

　　(5)矽膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內部的熱應力加大，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效。

　　一般情況下，光通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的。也就是說當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這是因為材料的一些相關參數會隨溫度發生變化，從而導致LED器件參數的變化，影響LED的光輸出。當溫度恢復至初態時，LED器件參數的變化隨之消失，LED光輸出也會恢復至初態值。對此，LED的光通量值有「冷流明」和「熱流明」之分，分別表示LED結點在室溫和某一溫度下時LED的光輸出。

　　一般，LED光通量與結溫的關係可以用式(1)表示:

　　(1)

　　其中，表示結溫時的光通量(lm);表示結溫時的光通量(lm);為溫度係數(1/℃);為LED結溫的差值，即。

　　一般情況下， 值可由實驗測定。例如對於InGaAlP基LED相關的 值如表1所示。

LED材質類別	溫度係數 (1/℃)
InGaAlP/GaAs 橙紅色	9.52×10-3
InGaAlP/GaAs 黃色	1.11×10-2
InGaAlP/GaP 高亮紅	9.52×10-3
InGaAlP/GaP 黃色	9.52×10-2

表1 不同材質類別LED的溫度係數

圖2 不同k值LED的光輸出(百分比)隨結溫的變化關係

　　由圖2可以看出：LED光效溫度係數k最好在2.0×10-3以下，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會很大。例如，InGaN類LED的k值約為1.2×10-3，結溫125℃時光輸出相對結溫25℃時降低約11%。

　　目前，使用最多的GaN基白光LED的溫度係數大多在2.0×10-3～4.0×10-3之間，有的甚至達到了5.0×10-3。k值偏大的LED，更要注意控制結溫。

　　四、溫度對LED發光波長(光色)的影響

　　LED的發光波長一般可分成峰值波長與主波長。峰值波長即光強最大的波長，而主波長可由X、Y色度坐標決定，反映了人眼所感知的顏色。顯然，結溫所引致的LED發光波長的變化將直接造成人眼對LED發光顏色的不同感受。對於一個LED器件，發光區材料的禁帶寬度值直接決定了器件發光的波長或顏色。溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發光波長變長，顏色發生紅移。

　　通常可將波長隨結溫的變化表示為式(2)：

　　

　　其中:表示結溫時的波長(nm);表示結溫時的波長(nm);表示波長隨溫度變化的係數，一般在0.1～0.3nm/K之間;。

　　五、溫度對LED正向電壓的影響

　　正向電壓是判定LED性能的一個重要參量，其大小取決於半導體材料的特性、晶片尺寸以及器件的成結與電極製作工藝。相對於20mA的正向電流通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8～2.2V之間，InGaN LED的正向電壓處在3.0～3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降可由式(3)表示：

　　(3)

　　式中，為正向電壓，為正向電流，為反向飽和電流，為電子電荷，是玻爾茲曼常數，是串聯電阻，是表徵P/N結完美性的一個參量，處在1～2之間。式(3)的右邊只有反向飽和電流與溫度密切相關，值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓值的下降。實驗指出，在輸入電流恆定的情況下，對於一個確定的LED器件，兩端的正向壓降與溫度的關係可由式(4)表示：

　　(4)

　　式(4)中，與分別表示結溫為與時的正向壓降，是壓降隨溫度變化的係數，一般在-1.5～-2.5mV/K 之間;。

　　當電流固定時，溫度升高，LED正向電壓會下降。由於正向電壓與溫度的關係接近線性，所以大多LED熱阻測試儀器利用LED的這一特性測量其熱阻或結溫。

　　六、溫度過高會限制LED的最大注入電流

　　溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導致最大注入電流減小。

　　圖3Cree3WXLampXP-E最大注入電流與結溫的關係
　　

另外，溫度還會影響LED的配光曲線、色溫及顯色性。

　　溫度影響透光材料折射率，會改變LED出光光線的空間分布，即配光曲線。

　　溫度過高，藍光波峰長移，螢光粉波峰變平坦而劣化，會導致LED色溫偏高、顯色性變差[4]。

　　七、總結

　　大功率LED因發熱量大，導致其工作溫度偏高，性能急劇下降。只有深入了解LED的溫度特性，開發低熱阻的LED晶片及LED應用產品，才能真正體現LED的優越性。