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1、LED（Light Emitting Diode :发光二极管）作为第四代光源，因其节能、环保、长寿命等 优点极具发展前景。但因为LED对温度极为敏感，结温升高会影响LED的寿命、光效、光 色（波长）、色温、光形（配光）以及正向电压、最大注入电流、光度、色度、电气参数以及可 靠性等。本文详细分析了温度升高对LED各光电参数及可靠性的影响，以利于LED芯片和 LED照明产品的设计开发。一、温度过高会对LED造成永久性破坏（l）LED工作温度超过芯片的承载温度将会使LED的发光效率快速降 低，产生明显的光衰，并造成损坏；（2）LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度（通常为 125）,封
2、装材料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升，从而导致LED开 路和失效。二、温度升高会缩短LED的寿命LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越低，直 到最后熄灭。通常定义LED光通量衰减30%的时间为其寿命。通常造成LED光衰的原因有以下儿方面：（l）LED芯片材料内存在的缺陷在较高温度时会快速增殖、繁衍，直至 侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低LED的发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面及电板的快扩杂质 也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED潜件的光衰1。(2)高温时透明环氧树脂会变性、发黄，影响其透光性能，工作温度 越高这种过程将进行得
3、越快，这是LED光衰的又一个主要原因。(3)荧光粉的光衰也是影响LED光衰的一个主要原因，因为荧光粉在 高温下的衰减十分严重。所以，高温是造成LED光衰，缩短LED寿命的主要根源。不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED厂家会给出一套标准的光衰 曲线。例如Philips Lumiled公司的Luxeon K2的光衰曲线如图1所示, 当结温从115提高到135,其寿命就会从50, 000小时缩短到20, 000 小时。图1 Lwniled Luxeon K2的光衰曲线高温导致的LED光通量衰减是不可恢复的，LED没有发生不可恢复的 光衰减前的光通量，称为LED的“初始光通量”。三、温度升高会降低
4、LED的发光效率温度影响LED光效的原因包括以下几个方面：(1)温度升高，电子及空穴的浓度会增加，禁带宽度会减小，电子迁 移率将减小。(2)温度升高，势阱中电子及空穴的辐射复合儿率降低，造成非辐射 复合(产生热量)，从而降低LED的内量子效率2。(3)温度升高导致芯片的蓝光波峰向长波方向偏移，使芯片的发射波 长和荧光粉的激发波长不匹配，也会造成白光LED外部光提取效率的降低(4)随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，LED的外部光 提取效率降低。(5)硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应 力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效。一般情况下，光通量随结温的增加
5、而减小的效应是可逆的。也就是说 当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这是因为 材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致LED潜件参数的变化， 影响LED的光输出。当温度恢复至初态时，LED器件参数的变化随之消失,LED光输出也会恢复至初态值。对此，LED的光通量值有“冷流明”和“热 流明”之 分，分别表示LED结点在室温和某一温度下时LED的光输出。一般，LED光通量及结温的关系可以用式表示：孰为）=可亦其中，表示结温时的光通量（1m）;（为）.表示结温乙时的光通量 （1m）;攵为温度系数（1/）; 4为LED结温的差值，即”=4 一一般情况下，值可由实验测定。例如对于
6、InGaAlP基LED相关的 值 如表1所示。LED材质类别温度系数（I/OInGaAlP/GaAs 橙红色9. 52X10-3InGaAlP/GaAs 黄色1. 11X10-2InGaAlP/GaP 高亮红9. 52X10”InGaAlP/GaP 黄色9. 52X10-2表1不同材质类别LED的温度系数图2不同k值LED的光输出（百分比）随结温的变化关系由图2可以看出：LED光效温度系数k最好在2. 0X10-3以下，这样 由温度引起的LED光输出降低才不会很大。例如，InGaN类LED的k值约 为1.2X10-3,结温125c时光输出相对结温25c时降低约1现。目前.，使用最多的GaN基白
7、光LED的温度系数大多在2. 0X10-3-4. 0 X10-3之间，有的甚至达到了 5.0X10-3。k值偏大的LED,更要注意控 制结温。四、温度对LED发光波长（光色）的影响LED的发光波长一般可分成峰值波长及主波长。峰值波长即光强最大 的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼所感知的颜色。 显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色 的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光 波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示为式：2名)-(7) +初丁其中:月
8、(与)表示结温72时的波长(由)；殂K)表示结温时的波长 (nm);人表示波长随温度变化的系数,一般在0. 10. 3nm/K之间;。五、温度对LED正向电压的影响正向电压是判定LED性能的一个重要参量，其大小取决于半导体材料 的特性、芯片尺寸以及器件的成结及电极制作工艺。相对于20mA的正向 电流通常InGaAlP LED的正向电压在1. 82. 2V之间，InGaN LED的正向 电压处在3.03.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降可由式 (3)表示：q(3)式中，匕为正向电压，为正向电流，为反向饱和电流，为 电子电荷，衣是玻尔兹曼常数，氏是串联电阻，止是表征P/N结完美性 的
9、一个参量，处在12之间。式(3)的右边只有反向饱和电流介：及温度 密切相关，值随结温的升高而增大，导致正向电压 巧箱的下降。实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，两端的正向 压降及温度的关系可由式（4）表示:吟名）二心（用+私7式中，吟耳）及彩芯）分别表示结温为2及7i|时的正向压降, 左是压降随温度变化的系数，一般在T. 5-2. 5mV/K之当电流固定时，温度升高，LED正向电压会下降。由于正向电压及温 度的关系接近线性，所以大多LED热阻测试仪器利用LED的这一特性测量 其热阻或结温。六、温度过高会限制LED的最大注入电流温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致最大注入电流减小。Temperature (图3 Cree 3WXLampXP-E最大注入电流及结温的关系另外，温度还会影响LED的配光曲线、色温及显色性。温度影响透光材料折射率，会改变LED出光光线的空间分布，即配光 曲线。温度过高，蓝光波峰长移，荧光粉波峰变平坦而劣化，会导致LED色 温偏高、显色性变差4o七、总结大功率LED因发热量大，导致其工作温度偏高，性能急剧下降。只有 深入了解LED的温度特性，开发低热阻的LED芯片及LED应用产品，才能 真正体现LED的优越性。7 / 8