溫度對大功率led性能的影響

隨著高光度和多色化的發(fā)展，其應(yīng)用也得到了擴(kuò)展。由于其小、效率高、強(qiáng)度高、使用壽命長、易于與計(jì)算機(jī)匹配等優(yōu)點(diǎn)，該燈不僅廣泛用于交通信息顯示、模糊顯示、汽車照明等行業(yè)的照明，而且還通過戶外顏色顯示、景觀照明、軍事照明等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。現(xiàn)在，它正朝著公共照明領(lǐng)域發(fā)展。20世紀(jì)90年代末，schrott等人發(fā)明了將藍(lán)色管芯和黃色光澤粉安裝在白色矩陣中。隨著白色光矩陣的功率和效率的提高，它在生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面都越來越應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家還制定了基于白色光矩陣的國家規(guī)劃。進(jìn)入21世紀(jì)以來,LED的可靠性日益引起關(guān)注,市場對LED可靠性要求也越來越高.目前LED在可靠性方面仍有不足,在如何獲得高性能的外延材料、高亮度的器件結(jié)構(gòu)和功率型器件封裝等方面,還要做大量的研究工作.此外,對LED進(jìn)行壽命評價(jià)的測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)也成為熱門課題,測試技術(shù)的科學(xué)化和規(guī)范化以及統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)將成為LED產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的標(biāo)尺.LED路燈將會(huì)應(yīng)用于不同環(huán)境溫度的地區(qū),包括寒冷的北方城市和炎熱潮濕的南方城市.本文對大功率藍(lán)光和白光LED以及AlGaInP基大功率紅光和黃光LED性能隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,特別是其在低溫應(yīng)用時(shí)的特性,并對其中的一些現(xiàn)象做了分析.1led波及企業(yè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)采用的樣品是自制的GaN藍(lán)光管芯,在同一廠家外封裝成用于路燈組裝的1W大功率GaN基藍(lán)光和藍(lán)光激發(fā)熒光粉方式的白光LED以及AlGaInP基的1W大功率紅光和黃光LED.藍(lán)光LED選用3支,編號(hào)為B1、B2、B3;白光LED選用2支,編號(hào)為W1、W2;紅光LED和黃光LED各選3支,編號(hào)分別為R1、R2、R3和Y1、Y2、Y3.實(shí)驗(yàn)在高低溫溫控箱中進(jìn)行在線的性能測試.如圖1所示,光通過光纖進(jìn)入光譜儀進(jìn)行光參數(shù)的讀取,在試驗(yàn)中,輸入電流為350mA,紅光LED與黃光LED溫度設(shè)定為-30~100℃,藍(lán)光LED與白光LED溫度設(shè)定為-40~80℃,步長為10℃,允許誤差±1℃.在實(shí)驗(yàn)過程中,溫箱溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍10min后,開始測量各項(xiàng)參數(shù),以保證LED管芯的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡,避免了LED與外部環(huán)境的溫差,減小了實(shí)驗(yàn)誤差.2結(jié)果與討論2.1led光強(qiáng)隨溫度的變化圖2是LED的光強(qiáng)隨溫度變化的關(guān)系曲線,由圖可見,光強(qiáng)隨溫度的升高線性降低,大致呈線性關(guān)系.在低溫環(huán)境下,GaN晶格震動(dòng)的能量較小,缺陷等的光吸收較小,電光轉(zhuǎn)換效率較大,因此光強(qiáng)較大.溫度升高會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體的光吸收以及一些損耗系數(shù)增大,使得輸出光功率下降.因此,當(dāng)LED的溫度升高時(shí),器件輸出的發(fā)光強(qiáng)度將逐漸減小,通常情況下,這種變化是可逆的.低溫條件下,LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)增大,這對于器件設(shè)計(jì)者來說是有利的,但對于臺(tái)燈,室內(nèi)照明設(shè)計(jì)要適當(dāng)考慮光強(qiáng)提高對人眼帶來的損害,如白光和藍(lán)光LED在-30℃時(shí)的光強(qiáng)比20℃時(shí)提高了1%~3%,對于AlGaInP材料,AlGaInP的發(fā)光波長越短,變化系數(shù)越大,器件的相對光強(qiáng)隨溫度增加衰減得越快,如圖2所示,黃光LED的相對光強(qiáng)隨溫度變化很大,-30℃時(shí)光強(qiáng)比20℃時(shí)提高了近1倍,紅光LED提高了9%~11%.2.2led兩端橫向壓降與溫度的關(guān)系正向電壓的數(shù)值大小取決于半導(dǎo)體材料的特性、器件制作工藝等,當(dāng)LED工作在額定電流下時(shí),在當(dāng)前溫度下達(dá)到熱平衡后,正向電壓將隨著溫度的改變而變化,如圖2所示.從圖中可以看出,隨著溫度的升高,所有LED的電壓逐漸下降,并且GaN基的LED變化趨勢更加趨近于線性.輸入電流恒定,對于一個(gè)確定的LED器件,忽略串聯(lián)電阻與溫度的關(guān)系,LED兩端的正向壓降與溫度的關(guān)系為VF(T)=VF(T0)+K(T-T0)(1)式中,T為溫箱溫度;T0為室溫;VF(T)為結(jié)溫為T時(shí)的正向壓降;VF(T0)為結(jié)溫為T0時(shí)的正向壓降;K是壓降隨溫度變化的系數(shù),通過對電壓隨溫度的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到其溫度、電壓的K系數(shù)如表1所示.溫度每升高1℃,藍(lán)光LED電壓減小約2.255mV,白光LED電壓減小約1.393mV,紅光LED電壓減少約4.14mV,黃光LED電壓減小約為2.97mV.對于半導(dǎo)體材料而言,藍(lán)光和白光LED是一樣的,均為GaN基材料,其變化規(guī)律均符合線性規(guī)律.而紅光和黃光LED材料雖然都是由AlGaInP構(gòu)成,但是由于材料組分不同,其禁帶寬度不同,峰值波長不同,K系數(shù)會(huì)有差異,但是不會(huì)很大.這種電壓變化帶來的低溫使用條件的危害是系統(tǒng)可能會(huì)被設(shè)計(jì)者增加驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路而無法啟動(dòng).比如白光LED廠家提供的最大使用電壓為3.2V,因此路燈設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)會(huì)對電壓進(jìn)行過保護(hù)設(shè)計(jì),而在寒冷地區(qū)電壓可能要達(dá)到3.4V,這樣在復(fù)雜系統(tǒng)中會(huì)降低發(fā)光強(qiáng)度甚至無法工作.2.3algainp基與gan基led最佳能量的關(guān)系藍(lán)光LED的峰值波長由有源區(qū)的禁帶寬度所決定,白光LED是以藍(lán)光LED芯片為激發(fā)源,激發(fā)熒光粉發(fā)出峰值為560~580nm的黃綠色光與芯片自身發(fā)出的藍(lán)光組成白光,然而光譜儀所測得的峰值波長還是芯片發(fā)出的藍(lán)光的峰值波長.圖4是峰值波長隨溫度變化的關(guān)系曲線,由圖可見,隨著溫度的升高,峰值波長發(fā)生紅移,這是由于材料的禁帶寬度隨溫度增大而減小.從圖中可以看出,不論藍(lán)光還是白光LED峰值波長變化均近似線性關(guān)系,但是有較大偏差,而AlGaInP基的LED峰值波長隨溫度的變化關(guān)系基本上呈線性關(guān)系.總體來看,AlGaInP基的LED波長漂移量較GaN基LED大,溫度每上升10℃,GaN基LED峰值波長增加約0.5nm,AlGaInP基LED峰值波長增加約1.4nm,說明AlGaInP材料的禁帶寬度隨溫度升高而減小的幅度較GaN基材料要大一些.從這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,對于用波長漂移法來測試GaN基LED的結(jié)溫對于某些結(jié)構(gòu)的LED會(huì)產(chǎn)生較大誤差,而用該方法來測量AlGaInP基LED的結(jié)溫則結(jié)果比較準(zhǔn)確.峰值波長的紅移對于應(yīng)用影響較大的是色度的設(shè)計(jì),特別是對于白光及RGB三基色組成的白光和全色彩顯示的設(shè)計(jì).圖5是光譜的峰值半寬隨溫度變化的關(guān)系曲線.峰值半寬隨著溫度的升高而增大,在低溫條件下,GaN基LED的峰值半寬比常溫要小.符合公式Δλ≈(1240·ΔE)/E2gg2(2)其中,Δλ為光譜的峰值半寬值;ΔE為載流子密度分布的能量.溫度升高,載流子能量增大,禁帶寬度減小,Δλ增加.由圖可見,實(shí)際測得的數(shù)據(jù)基本符合該公式理論.白光LED的半寬主要是熒光粉光譜的半寬.2.4溫度對led顯色特性的影響通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出,在變溫過程中,藍(lán)光和紅光LED的色溫沒有變化,而黃光LED的色溫有小幅變化,白光LED的色溫有大幅變化.從色度照明角度考慮,有必要對白光LED的色溫及顯色指數(shù)隨溫度的變化進(jìn)行考察.圖6是白光LED相關(guān)色溫與溫度的關(guān)系曲線,從圖中可以看出,低溫環(huán)境下的相關(guān)色溫要比室溫環(huán)境下低.按光源的相關(guān)色溫分為3組:暖色(<3300K),中間色(3300~5300K),冷色(>5300K),這說明低溫條件下LED發(fā)出的光更加柔和,偏向于暖色.相關(guān)色溫隨溫度的升高而增加.這是由于隨著溫度的升高,白光LED的基礎(chǔ)光源發(fā)出的峰值波長發(fā)生了紅移,峰值半寬值增加,而此前的研究一直認(rèn)為,熒光粉自身的波長色坐標(biāo)隨溫度升高變化很小,發(fā)出的組合光中藍(lán)光的能量相對增大,黃綠光能量相對減小,這必然帶動(dòng)LED發(fā)出的光的相關(guān)色溫增加,產(chǎn)生發(fā)藍(lán)、發(fā)青現(xiàn)象.光源對物體的顯色能力稱為顯色性,太陽自然白光的顯色指數(shù)(Ra)定義為100,光源顯色性良好,能更好更真實(shí)地顯現(xiàn)建筑裝飾的藝術(shù)色彩和被視物件的顏色,能更好地體現(xiàn)人的氣色和良好的精神面貌.圖7為白光LED的顯色指數(shù)隨溫度變化示意圖,新的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:長期工作或停留的房間或場所,光源的Ra值不宜小于80.也就是說以不小于80為基色要求,對于不連續(xù)工作的場所可以降低Ra值.從圖中可以看出,低溫環(huán)境下的顯色指數(shù)要比室溫降低,這也就意味著在照明設(shè)計(jì)過程中,必須要考慮最低環(huán)境溫度,如果最低溫度處于0℃以下,就要選取顯色指數(shù)較高的LED.3器件結(jié)溫對led性能的影響通過溫度特性實(shí)驗(yàn)和對數(shù)據(jù)的分析可以看出,溫度的變化對于LED的性能有很大影響.在低溫環(huán)境下,LED的相對光強(qiáng)要比在室溫條件下高,黃光的變化最大,-30℃時(shí)光強(qiáng)比20℃時(shí)提高了0.97倍,而藍(lán)光和白光的提高了1%~3%.但低溫導(dǎo)致正向電壓升高,波長發(fā)生藍(lán)移,對于照明應(yīng)用的白光LED顯色指數(shù)也會(huì)下降.在藍(lán)、綠、黃區(qū)域,很小的波長變化就將引起人眼視覺上的變化,因此在設(shè)計(jì)中就對藍(lán)、綠、黃等器件的溫升效應(yīng)提出了更