大功率LED光電特性及溫度影響研究

1、大功率發(fā)光二極管光電特性及溫度影響研究王勁1梁秉文(南京漢德森科技股份有限公司,江蘇南京211100摘要:本文分析了大功率發(fā)光二極管在不同溫度下光通量、正向電壓、色坐標(biāo)、波長(zhǎng)等參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系,并對(duì)其中部分關(guān)系進(jìn)行了曲線擬合,從而量化了大功率白光發(fā)光二極管的光電參數(shù)與溫度的關(guān)系。研究結(jié)果表明溫度是影響大功率發(fā)光二極管光電性能的主要因素。關(guān)鍵詞:大功率發(fā)光二極管溫度光通量正向電壓色坐標(biāo)波長(zhǎng)中圖分類號(hào): TN 312.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AResearch on influence of temperature on the property of high-power LEDWANG jin L

2、IANG bingwen(NANJING HANDSON CO.,LTD ,nanjing,jiangsu 211100 Abstract The property of luminous flux, forward voltage, color coordinate and wavelengh of high power white LED have some relations with temperature, this paper reached on these property, and we also fitted some data, measured the relation

3、ship between temperature and photoelectricity property of high power white LED. the results showed that temperature is the main factor to influence the photoelectricity property of high power white LED.Keywords: high power LED;temperature;luminous flux;forward voltage;color coordinate; wavelengh1:綜述

4、目前GaN基瓦級(jí)白光發(fā)光二極管(LED以其節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn),正受到越來越多的重視。隨著大功率LED散熱問題的不斷改進(jìn),其應(yīng)用范圍越來越廣,特別是在城市亮化和特種照明領(lǐng)域,如鐵路、礦產(chǎn)、石油等,而這些領(lǐng)域的環(huán)境對(duì)LED的性能提出了很高的要求。大功率白光LED光電參數(shù)隨電流的變化文獻(xiàn)中已有相當(dāng)?shù)恼撌?,2,本文對(duì)大功率白光LED光電參數(shù)隨環(huán)境溫度和時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,并對(duì)其中的一些現(xiàn)象作了初步的探討。2:試驗(yàn)以封裝好的同一批次的白光LED(YAG+GaN/InGaN藍(lán)光芯片作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在恒溫測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試臺(tái)如下圖1所示。LED光電參數(shù)通過積分球1讀出數(shù)據(jù),溫控臺(tái)3采用半

5、導(dǎo)體溫度控制器,其溫度調(diào)節(jié)范圍為-40120,散熱器4是為了保證半導(dǎo)體溫度控制器的低溫制冷性能及保證溫度穩(wěn)定。測(cè)試期間電流恒定為350mA,溫度設(shè)定為從-10到70,每隔5測(cè)試一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 1作者簡(jiǎn)介:王勁(1976,男,江蘇南京人,碩士,主要從事大功率LED研發(fā)、測(cè)試方面的研究工作。聯(lián)系方式: wkhong,M.P;137*圖1 測(cè)試臺(tái)示意圖1-積分球 2-白光LED 3-溫控臺(tái) 4-散熱器由于所有的數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出相似的特性,在此我們以其中的一組數(shù)據(jù)來分析大功率LED 在溫度影響下的光電特性。3:數(shù)據(jù)分析與討論1:光通量及正向電壓與溫度的關(guān)系在任意溫度下,當(dāng)LED 在額定電流下被點(diǎn)亮,在

6、此溫度下達(dá)到熱平衡后,光通量及正向電壓隨著溫度不同而變化。圖2是光通量及正向電壓在不同溫度下的關(guān)系圖,隨著溫度的升高,LED 光通量與電壓都逐漸下降。通過對(duì)電壓隨溫度的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到其溫度、電壓關(guān)系為:Y =3.84539-0.00332 X其斜率0.00332為溫度系數(shù),即溫度每升高10,電壓減小0.033V 。 對(duì)光通量隨溫度的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到其溫度、光通量關(guān)系為: Y =35.41842-0.05514 X即溫度每升高10,光通量減小0.55lm 。 溫度/電壓/V光 通量/lM圖2 光通量及電壓與溫度的關(guān)系2:波長(zhǎng)及光功率與溫度的關(guān)系圖3 是白光LED 的相對(duì)光功率與溫度

7、的關(guān)系。為便于觀察,只選取四條溫度相關(guān)曲線顯示。從圖中可見,隨著溫度升高,白光LED 中藍(lán)光及黃光的相對(duì)光功率都下降,且藍(lán)光的峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。圖4是藍(lán)光峰值半波寬與溫度的變化關(guān)系,隨著逐漸升高,藍(lán)光中光譜半值波寬增大。根據(jù)公式21240g E E ,其中為光譜半值波寬,E 為載體密度分布的能量。可見隨著溫度升高,白光中藍(lán)光能量也隨之增大。 相對(duì)光功率 /m W波長(zhǎng)/nm峰值 波寬/n m溫度/圖3 白光LED 的相對(duì)光功率與溫度的關(guān)系 圖4 白光LED 中藍(lán)光峰值半波寬與溫度的關(guān)系 3:色坐標(biāo)與溫度的關(guān)系圖5是白光LED 中藍(lán)光波長(zhǎng)與黃光波長(zhǎng)隨溫度升高的變化。可見隨著溫度升高,藍(lán)光峰

8、值波長(zhǎng)變化不大,而黃光峰值波長(zhǎng)在一定的溫度下變化較快。 波長(zhǎng)/n m溫度/ 色坐標(biāo)X 值色坐標(biāo)Y 值圖5 白光LED 中藍(lán)光波長(zhǎng)與黃光波長(zhǎng)隨溫度變化 圖6 色坐標(biāo)與溫度的關(guān)系圖 對(duì)應(yīng)于黃光峰值波長(zhǎng)和藍(lán)光峰值波長(zhǎng)的增加,白光LED 的色坐標(biāo)也呈現(xiàn)出相對(duì)應(yīng)的變化,如圖6 所示,隨著溫度的升高,白光LED 色坐標(biāo)的x 值和y 值都減小,在色譜圖上的位置向左下方偏移。從圖6還可以看出,色坐標(biāo)的變化曲線分為不同變化速度的兩段,見圖6中紅色直線?？梢钥闯?圖6中色坐標(biāo)的變化趨勢(shì)與圖5中波長(zhǎng)隨溫度的變化有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著溫度升高,黃光波長(zhǎng)增長(zhǎng)較藍(lán)光波長(zhǎng)增長(zhǎng)迅速,相應(yīng)的色坐標(biāo)變化速度減緩。色坐標(biāo)的這一變化

9、必然影響到相關(guān)色溫的變化。圖7是相關(guān)色溫與溫度的關(guān)系圖,從此曲線可以看出,此曲線分為兩部分,在35溫度以下,色溫隨著溫度的升高緩慢增加,在35溫度以上,色溫隨著溫度升高快速增加。 色溫/K溫度/圖7 相關(guān)色溫與溫度的關(guān)系圖 圖8 固定溫度下電壓與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)注意的是,圖7中相關(guān)色溫與溫度的關(guān)系圖符合普朗克黑體輻射曲線。波長(zhǎng)與色坐標(biāo)隨溫度的變化是相關(guān)的。由于白光LED是以藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)光,而此前的研究一直認(rèn)為熒光粉自身的波長(zhǎng)/色坐標(biāo)隨溫度升高變化很小,白光LED在嚴(yán)酷環(huán)境下使用中所產(chǎn)生的發(fā)藍(lán)、發(fā)青現(xiàn)象通常被認(rèn)為是由于藍(lán)光峰值波長(zhǎng)發(fā)生了變化所致3,4,但由圖3可見,由于藍(lán)光的峰值半波寬增加,白光

10、中藍(lán)光的能量增加,這應(yīng)該是導(dǎo)致白光LED色溫變化的一個(gè)原因;另外由圖5可見,熒光粉本身的峰值波長(zhǎng)隨著溫度的升高也向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng),在色譜圖上連接熒光粉自身的發(fā)射波長(zhǎng)與藍(lán)光的發(fā)射波長(zhǎng)成一條直線,由于波長(zhǎng)變長(zhǎng)的緣故,此曲線的斜率減小。與圖6色坐標(biāo)與溫度的關(guān)系圖一致,即波長(zhǎng)與峰值半波寬變化引起了色坐標(biāo)的變化。觀察圖7與圖6,發(fā)現(xiàn)色坐標(biāo)與色溫的變化曲線在35左右開始出現(xiàn)變化。色坐標(biāo)變化曲線顯示在35以上色坐標(biāo)Y值變化速度減小,也即曲線呈下凸趨勢(shì),而色溫變化在35以上變化較劇烈,可見為了保證大功率LED光學(xué)特性的穩(wěn)定,產(chǎn)品不至于出現(xiàn)較大的色差,應(yīng)使環(huán)境溫度在一定的范圍之內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)中,在實(shí)驗(yàn)所處的條件下,

11、經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí),當(dāng)使用環(huán)境溫度超過35,白光LED確會(huì)出現(xiàn)發(fā)藍(lán)、發(fā)青現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中溫控臺(tái)的使用目的是將底座的溫度保持在某一固定值,因此隨著溫控臺(tái)溫度的線性升高,可以認(rèn)為L(zhǎng)ED的結(jié)溫也在線形升高。白光LED色坐標(biāo)的這一變化可以認(rèn)為是結(jié)溫隨溫度的變化后色坐標(biāo)的變化趨勢(shì)。在此試驗(yàn)中,有兩個(gè)變化的因素,即外界溫度與時(shí)間。在某一固定的溫度下,隨著通電時(shí)間的推移, LED芯片逐漸發(fā)熱,熱量通過熱沉向下傳遞,并與溫控平臺(tái)進(jìn)行熱交換,在溫度達(dá)到平衡后,時(shí)間對(duì)光電參數(shù)的影響就可以忽略。圖8是在固定的溫度下,電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系,從圖中可見,約10秒后電壓基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在其他溫度下,電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系與

12、圖8類似,在10秒后電壓基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于時(shí)間對(duì)LED光電性能的影響在溫度達(dá)到穩(wěn)定后可以忽略,因此溫度成為影響白光LED光電性能的主要因素,溫度升高導(dǎo)致了其正向電壓的下降。由于輸入電流是恒流型的,因此輸入功率也被動(dòng)下降,由于溫度升高,與原波長(zhǎng)匹配的熒光粉因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)發(fā)生偏移,故而激發(fā)效率降低,所以光通量也有所下降。由圖2可見,光通量與電壓的下降趨勢(shì)近似相同,因此可以認(rèn)為,引起白光光通量下降的主要原因是溫度因素影響所致,而非輸入功率的影響。4:結(jié)論由于溫度是影響白光LED光電性能的主要因素,隨著白光LED結(jié)溫的升高,其正向電壓、光通量下降,色坐標(biāo)向減小的方向移動(dòng),同時(shí)由于白光LED中藍(lán)光的峰值波寬隨著結(jié)溫升高其半值波長(zhǎng)增加,色溫也隨之升高,但其變化與色坐標(biāo)的變化呈現(xiàn)出一定的差異。白光LED應(yīng)用的瓶頸之一即是色差問題,因此在使用中應(yīng)設(shè)法使結(jié)溫在一定的范圍內(nèi),避