温度对LED性能的影响

摘要：从LED发光原理出发，结合实验将红蓝椭圆灯分别在室温和85℃的恒温箱中用20 mA电流点亮168 h后测试其法向光强及正向电压，然后分析了PN结温度和环境温度对LED性能的影响。
关键词：LED；椭圆灯；法向光强；正向电压；PN结

0 引言
    与传统光源相比，LED光源为固体冷光源，具有寿命长，光效高，无辐射，功耗低，抗冲击和抗震性能好，可靠性高等特性。在全球提倡绿色照明的今天，LED作为新型绿色照明光源受到全球的追捧。然而，在LED高速发展的同时，如何进一步提高LED的寿命及可靠性确是迫在眉睫的事。本文从理论和实验出发，研究并分析了温度对LED性能的影响，从而提出可以提高LED的寿命和可靠性问题的方法。

1 LED发光原理
    LED是一种半导体二极管，核心发光部分为P型和N型半导体构成的PN结，LED除了具有一般PN结特性外，还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区．空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合而发出光子，发光原理如图1所示。

2 温度对LED性能的影响
2. 1 温度对LED发光强度的影响
    当PN结温度上升时，半导体的晶格振动幅度增加，当原子的振动能量高于一定值时，电子从激发态跃迁到基态时会与晶格原子(或离子)交换能量，发生无辐射跃迁。这种过程的几率随温度的增加而呈指数式增加。因此，当温度上升到一定程度之后，半导体的尢辐射跃迁增加，内量子效率降低，从而导致发光强度下降。
    当温度上升时，LED封装用环氧树脂会逐渐变性，发黄，从而影响环氧树脂的透光性能，导致外量子效率降低，发光强度下降。
2. 2 温度对LED正向电压的影响
    正向电压是判定LED性能的一个重要参数。通常InGaA1P LED 20 mA正向电流下的正向电压在1．8～2. 2 V之间，InGaN LED的正向电压处在3．0～3 6 V之间。在小电流近似下，LED的正向电压可表示为：
   
    式中，Vf为正向电压，If为正向电流，I0为反向饱和电流，q为电子电荷，k是玻尔兹曼常数，Rs是串联电阻，n是表征PN结完美性的一个参量，处在1～2之间。式(1)右边的反向饱和电流I0与温度密切相关，I0值随温度的升高而增大，导致正向电压
Vf下降。

3 实验研究
    这里以红蓝光椭圆灯为例来研究温度对LED性能的影响。其实验设计是：分别用晶元AIGaInP红色芯片Es-SAHRPN10和silan InGaN蓝色芯片SL-NBIT0300试制红蓝椭圆灯。红光固晶胶用普通银胶，蓝光固晶胶为普通绝缘胶，支架用铁支架，封装用普通环氧树脂。取20只成品蓝椭圆灯，编号1～20，再用JF光强测试仪测试1～20号椭圆灯在室温20mA下的法向光强Iv及正向电压Vf，测试数据后，再将20只管子分成两组：将1～10号灯在室温20 mA下点亮168 h；11～20号灯放入85℃恒温箱中，也在20 mA下点亮168 h。实验后仍用JF光强测试仪测试各组在室温20 mA下的法向光强Iv及正向电压Vf。然后对红椭圆灯也做以上分组实验。

4 实验数据及分析
    表1～表4所列就是实验所测试的数据。

    从上述实验数据可以看出，PN结温度和环境温度对LED发光强度及正向电压的影响。
    在85℃情况下，蓝光的平均光衰为12．68％，正向电压下降了0．05 V而室温下蓝光的平均光衰只有3．32％，正向电压下降0．01 V；对于红光而言亦有如此趋势，在85℃情况下的平均光衰为9．97％，正向电压下降0．031 V而室温下的平均光衰为1．89％，正向电压下降0．004 V。说明环境温度升高，LED光衰严重同时正向电压下降幅度大。
    表1和表3还反映出了红蓝LED在室温20mA条件下持续点亮时，LED内部温度升高对光衰的影响，同时也可以看出，蓝光的光衰比红光的光衰更加严重，此现象可以从两个方面解释：其一，蓝光用的固晶胶为绝缘胶，而红光的固晶胶为银胶，绝缘胶的导热性很弱，导致蓝光散热不如红光，蓝光PN结温度略高于红光，温度越高，光衰越严重；其二，在紫外光暴露下，环氧树脂的物理性能会发生变化，导致透光率下降，而蓝色芯片会发射出部分的短波光，在长时间的短波照射下，环氧树脂的透光率下降，发光强度下降。

5 结论
    通过本文的研究实验可以看出，温度对LED的性能有很大的影响。
    当温度升高时，LED的光衰严重，寿命降低。因此，在LED封装中，为提高LED的寿命及可靠性，应考虑LED的温度及散热问题，可以通过一系列的方法降低热阻，以达到散热的目的；如采用导热性能良好的铜支架取代铁支架；对于单电极芯片可以选用高导热银胶；对于蓝白光采用抗UV，抗黄变性好的环氧树脂进行封装；
    而当温度升高时，LED的正向电压下降，在实际使用过程中，若采用恒压驱动，由于正向电压降低，导致驱动电流增大，这一方面会导致LED寿命降低，二是会导致一致性性能变差，在大屏使用(如交通灯及显示屏中)时，会因为每个LED灯的驱动电流不一样，而导致亮度不一，从而会出现花屏和明显的马赛克区等问题。因此，在实际使用过程中，应采用恒流驱动以提高LED的寿命及可靠性。