LED技术应用篇

应用篇

1．单个 LED 的流明效率与用LED 作光源构成的灯具的流明效率有什么异同? 针对某一个特定的 LED,加上规定的正向偏置,例如加上 IF=20mA 正向电

流后(对应的 VF≈3.4V),测得的辐射光通量Φ=1.2lm,则这个 LED  的流明效率 为:

ηe-Φ=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W

显然， 对于单个 LED，如施加的电功率 Pe=VF ×IF,那么在这个功率下测得 的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个 LED 的流明效率。

但是， 作为一个灯具， 不论 LED PN 结上实际加上的功率 VF ×IF 是多少， 灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分（如稳压 源、稳流源、交流整流成直流电源部分等） 所消耗的功率。如图 4-1 所示， 以 一个 MR-16 灯具为例， 其工作电压为 AC12V，用一只 1W LED 作光源， 其工 作电流 IF =300mA，此时 VF=3.2V，在 LED PN 结上的电功率为 0.96W，单管 的光通量为 17lm，但由于灯具内部存在 AC/DC 变换以及恒流源驱动电路， 因 此实际输入电功率 Pe 要大于 LED 上得到的电功率，使总体的流明效率下降。

假定这个灯的输入功率为 1.2W，则灯具的流明效率应为：

ηe- Φ（灯） =17lm/1.2W=14.17lm/W

可见，灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个 LED 的流明 效率要下降。电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的 LED 驱动电路就显得极为重要。

2.  为什么一只蓝光LED 在涂上特殊的荧光粉构成白光LED 后,其辐射光通量 会比蓝光高出几倍甚至十几倍?

从前面我们已经知道白光 LED 是用什么方法制造出来的,其中一种方法 是在发蓝色光的 LED 芯片上涂上一层YAG 荧光粉,部分蓝光光子激发YAG 荧 光粉,形成光—光转换，荧光粉被激发产生黄光光子，蓝色光与黄色光混合变 成白色光，成为白光 LED。这种通过光—光转换后不同波长光的混合，会使 它的波谱变宽， 白光 LED 一般具有比图 4-2 所示的 LED 蓝光波谱宽得多的波 谱。

对于用蓝光芯片加 YAG 荧光粉制成的白光 LED，与单色 LED 相比， 人 眼对它的视觉函数应当是图 4-3 所示的各种波长成分视觉函数的积分平均值， 此值可以通过计算得到约为 296lm/W，即这种白光 LED，当发射出光功率 1W  的白光时， 其辐射光通量约为 296lm，这个数值比发射光功率 1W 的蓝色 LED

的辐射光通量 41lm 增大了 7.2 倍。

我们举一个例子说明，若制作白光的蓝光芯片的光通量为 2lm，当涂上 YAG 荧光粉后制成白光 LED，则它的光通量可以达到 15~20lm，只要荧光粉 的受激波长与蓝光的激发波长相匹配，并控制涂布制程，是可以获得良好效 果的。

3 ．照度的定义是什么？知道某个 LED 的辐射光通量，能否求出它的照度？

在照明应用中， 往往要知道被 LED 照明光源照射的某一个接收面元上的

光通量Φ。很显然， 不同面元的面积 dS 之比， 照度单位为勒克斯， 用lx 来表 示，并可写作：

E=dΦ/dS                                             （4-1）

从式（4-1）可以知道， 只要了解了 LED 光源的光通量Φ和被照射的面  积 S，则在这个面积 S 的面上的照度 E 即可用式（4-1）求得。 因此， 从式（4-1） 可知，照度又可称作为单位面积的光通量。

根据照度的定义，我们可以得到Φ与 E 的相互换算关系，由式（4-1）

式可知，知道了照度 E 和被照单元面积即可计算出光通量Φ：

Φ=E ·S                                           （4-2）

这些关系式在 LED 实际应用中十分重要， 是经常要用到的基本设计公式。

例如图 4-4，用 LED 光源作路灯，已知路灯高 10m，灯距为 16m，要使

两盏灯间路面范围内照度为 20lx，每盏灯的 LED 光源要用多大的光通量？

这里   r=16/2=8m

因此   S=3.14×82≈200m2

于是有：Φ=E ·S=20lux×200m2=4000lm

假设用每个Φ为 20lm 的功率 LED 来作这个灯的光源，需要 200 个才能 满足要求。

4 ．当用发光角为 60°的 LED 作数码相机闪光灯的白光光源时，要求在照射 距离 0.5m 的照射面上照度为 10lx，试问这个 LED 的光通量应为多少？

这是一个知道照度 E  后要求换算为光通量的例子。从式（4-1）可知， 这个 LED 的光通量应为Φ=E ·S，这里没有直接告知 S 的数值,所以首先要求 出它的照射面的面积。已经知道 LED 发光角为 60°，照射距离为 0.5m，于

是可将 LED 当作一个点光源处理，可以从图 4-5 求出面积 S。

显然有： r=d·tan( θ/2）=0.5m×tan30  °≈0.29m    

S= πr2=3.14×(0.29)2  ≈0.261m2

E=Φ/S

Φ=E×S=10lx×0.26=2.6lm

即只要这个 LED 的光通量大于 2.6lm 即可符合题意的要求。如果要求照 射距离为 3m 时， 则照射面积就为 9.4m2，此时要求这个 LED 的光通量为 94lm， 在目前情况下，就有困难，需用两个或两个以上的 LED 才能实现。

5.请问 LED 的光通量Φ与发光强度即光强是否能相互转换？

首先我们来了解一个光通量的定义： 一个在所有方向上光强为 1cd 的点 光源， 其辐射出的光通量为 4 πlm。这就是说， 一个点光源假设它处在球心上 时， 若它的辐射光通量为 4 πlm（≈ 12.56lm）时， 球面上任一点的光旨为 1cd， 从这一点出发，我们可以在有条件的情况下，进行两者间的转换。

我们举个例子来说明， 假如已知一个 LED 的发光强度 IV=5cd，其射出角  为 60°， 问它的等效光通量是多少》由于 LED 制成器件后并不是一个真正含  义上的点光源，它射出的光有一定的配光范围，这里是 60°即出光圆锥角为  60°， 仅为球面的 1/6，此时其等效光通量可表示为： Φ=（4 π×60°/360°） lm×5cd=10lm，在同样发光强度下， LED 射出角越大， 其等效光通量也越大， 不同的射出角在 IV 相同时，Φ随θ增大而增大。

6.  LED 的发光强度 IV 与照度 E 之间如何进行换算？

由 68 题照度定义可知： E=dΦ/dS。显然， 在同等光通量下， 照射面元的 面积越大，照度越小，反之亦然。

如果知道了 LED 的光通量Φ和需照射的面积，就可换算出照度 E；如果 知道了 LED 的发光强度 IV 和射出角θ， 则同样可换算出照射在面元面积为 S 的面上的照度。

例如， 一个发射角为 60°， 光强 IV=1cd 的 LED，在向其法向距离为 0.1m 的平面上照射时，它的照度可以从下述步骤求得：

由上述 IV 与Φ的换算可以知道， 发射角为 60°， 发光强度为 1cd 的 LED 光源的等效光通量Φ=4 π×（ 60°/360°）≈2lm，而在照射到 0.1m 距离的

面元时，该被照面元的面积 S 为：

S= π(d×tan30°)2  ≈3.14×(0.1×0.58) 2   ≈0.0105m 2

于是有： E=Φ/S=2lm/0.0105  ≈190lx。如果距离为 1m 时， 则照射角上的 照度仅为 1.92lx。

从上面这些参数之间的互换来看，均是有条件的，比较与使用条件相对 关系不大的是光通量Φ，因此在 LED 用于照明领域时， 往往用光通量来表示

它的光学参数就可以理解了。

7.    为什么说用积分球来测量 LED 的光通量时， 可以认为： 在积分球内表面 任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度，不受点的位置的影响？

这个问题实际上利用积分球测光通量的原理基础。可以证明：球体表面 上任一点的照度与它的位置无关，整个球内表面的照度 E 是常数。下面来简 单加以说明。

参看图 4-6，假定球的半径为 r，光源位于球心 L 处，球内表面涂有反射 率为ρ的漫散射材料，光源 L 到 P 点间有挡板 Q 遮挡，光线不能直接射到球 内表面 P 的位置上，但 P 点处能接收来自内表面的反射光，于是从图 4-6 可 看出，由到 P 点距离为d 的面元ΔS 在 P 点产生的照度ΔE 可写作：

ΔE=ΔIvcos φ/r2                                                                               (4-3)

式中ΔIv 为ΔS 面元的光强， 它由 L 光源照射产生， 式（4-3）又可写作： ΔE=LΔScos φcos θ/d2                                                                    (4-4)

式（4-4）为照度平方反比定律， 即余弦定律。 L 是光源的光强， 于是面

元ΔS 上的光强由式（4-3）和式（4-4）可得到：

ΔIv=LΔScos φ

对于一个球体来说， 图 4-6 中， θ= φ，而 P 到ΔS 的距离为d=2rcos φ,将该关系式代 入式（4-5）中即可得：

ΔE=LΔS/4r2                     （4-6）

ΔE  球内表面 P  点处的照度，由式 （4-6）可知， 当光源 L 的光强不变， 球的 半径也不变时，ΔE 是一个常数，与 P 点 处的位置无关，即与θ角的大小无关，这

就是积分球被用作Φ测量的依据所在。

(4-5)

8.为什么 LED    PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化？

这个问题要从半导体 PN 结的机理上去了解， PN 结作为杂质半导体， 在 其工作过程中同样存在杂质电离、本征激发、杂质散射和晶格散射等问题， 从而使复合载流子转换成光子的数量和效能发生变化。当 PN 结上的温度（例 如环境温度） 升高时， PN 结内部杂质电离加快， 本征激发加速。当本征激发 产生的复合载流子的迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致 内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样 IF 下， VF 降低。如果

不用恒流源驱动 LED，则 VF 下降将促使 IF 指数式增加， 这个过程将使 LED PN

结上温升更快，最终温升超过最大结温，导致 LED  PN 结失效，这是一个正 反馈的恶性过程。

PN 结上温度升高，使半导体 PN 结中处于激发态的电子—空穴复合时从 高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。这是由于 PN 结上温度升 高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值 时，电子—空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子（或离子）交换能量， 于是成为无光子辐射的跃迁， LED  的光学性能退化。理论证明，辐射跃迁的 数量是随温升呈指数上升的规律变化，并可以用式（4-7）来表示：

Ivo

式中   Ivo——PN 结发生温升前的发光强度；

ΔE——LED PN 结的激活能；

K——玻尔兹曼常数；

T——绝对温度

由式（4-7），IV（T）与 T 呈指数关系。

另外， PN  结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的 晶格场使离子能级裂变， 能级裂变受 PN 结温度影响， 这就意味着由于温度影 响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子 跃迁产生的光谱发生变化， 这就是 LED 发光波长随 PN 结温升而变化的原因。

综合上述， LED    PN  结上温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化， 过高的温升还会引起 LED 封装材料（例如环氧、荧光粉等） 物理性能的变化， 严重时导致 LED 失效，所以降低 PN 结温升，是应用 LED 的重要关键所在。

9.LED 的哪些参数与 PN 结温度相关？它们是何种关系？

上面已解释了LED PN结上温升引丐的发光性能的变化以及对LED一些特 性的影响，概括起来，可以归纳为以下几个方面，并可以用与温度相关的关

系曲线表示。

（1）T 与 VF 的关系              

LED 在 IF 为常数时（即恒流源偏 置时），LED PN 结上的正向电压 VF  具有负温度系数特性，如图 4-7 所示。即随着结上温度升高，

VF 下降。

ΔVF/ ΔT/IF=cost≈-2mV/℃

(2)T 与λD 关系

LED  发射出的光的波长与结温相关，

所示：

称为波长温度系数，如式（4-9）

ΔλD/ ΔT=K                                     （4-9）

不同波长器件的温度系数 K （单位： nm/℃)也不同，处于 0.3~0.9nm/℃ 范围内,具体可参阅表 4-1。知道了 K 可以计算λD 的变化。

例如，一个在 Tal=25℃时，发光波长λD=592nm 的 LED，当环境 Ta 升 高到 Ta2 时，它的λD 为多少？

表 4-1 求得 K590nm=0.09nm/℃,

ΔλD=K· （Ta2  -Tal）=（0.09nm/℃)×(65℃-25℃)=3.6nm,即该 LED 波长 漂移了 3.6nm；当 Ta=65℃时，λD =590+3.6=593.6nm。

表4-1      各种LED的波长温度系数

（3）Φ与 T 的关系

LED 随着 T 的升高， 发光性能也会随之变差， 我们以光通量与 T 的关系

来表示这一变化， 图 4-8 示出Φ—T 的变化趋 势。随着温度上升，Φ下降；当温度升到接 近PN 结最大结温 125℃时， Φ就会急剧下降。

不同发光波长的 LED，Φ随 T  的变化 速率不同， 黄色 LED 的变化速率最快， 白色 次之，绿色第三，蓝色最缓慢。

除此之外， LED PN 结上能施加的电功 率，随温度升高而下降，这一点在下面有详

述，本题从略。

10.  衡量 LED 长期使用性能退化的主要指标是什么？

当前，比较通用的衡量 LED  长期使用性能退化的指标是它的发光强度 （或光通量）随工作时间增加而下降的特性。通常把随使用时间 T  的增加， LED 从初始使用时的光强 IVO 下降到 IV=1/2IVO 的时间（即使 LED 初始光强随 使用时间增加下降到 50%时）， 定义为是它的工作寿命的半衰期， 这个时间越

长， LED 越优秀。

应当注意，在被测 LED 工作时间内，它的 IF 和 VF 应当基本上符合规定 条件，一般是在 IF 恒定状态下每隔一段时间测一次 IV，所有试验的环境温度

也应当在规定范围内，例如 Ta=25±2℃，否则就会缺乏测量依据。

也可以用确定 LED 的光强 IV 下降 20%的工作时间来衡量它的优劣， 检测 条件与上面提到的一样。无论何种实验方法，目的均是从 LED IV 的变化趋势 来预期它长期工作的性能， 即所谓“LED 的寿命”。当然， 不同发光特性， 不

同材料的 LED 是有差异的， 这要通过大量试验来统计分析才能得到相应的结

论。

图 4-9  示出发光二极管发 光强度 IV 与工作时间 T 的关系 示意图. 随着时间的延长， IV  呈 下降趋势,一般讲功率LED较普 通LED 下降趋势要缓慢,其前提

是散热情况要良好。

11.什么是 LED 的结温，它是如何产生的？

LED  的基本结构是一个半导体的 PN  结。实验指出，当电流流过 LED 器件时， PN 结的温度将上升， 严格意义上说， 就把 PN 结区的温度定义为 LED 的结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸， 因此我们也可把 LED 芯片的 温度视之为结温。在 LED 工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的 上升：

①器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存 在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成 LED 器件的串联电阻。当电流流

过 PN 结时， 同时出会流过这些电阻， 从而产生焦耳热引致芯片温度或结温的

升高。

②由于 PN  结不可能极端完美， 器件的注入效率不会达到 100%，也即是 说，在 LED  工作时除 P 区向 N 区注入电荷（空穴）外， N 区出会向 P 区注 入电荷（电子）， 一般情况下， 后一类的电荷注入不会产生光电效率， 而以发 热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一 部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

③实践证明， 出光效率的限制是导致 LED 的结温升高的主要原因。 目前， 先进的材料生长与器件制造工艺已能使 LED 极大多数输入电能转换成光辐射 能，然而由于 LED 芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使 芯片内部产生的大部分光子无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生 全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并

以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

④显然， LED  器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散 热能力强时，结温下降；反之，散热能力差时，结温将上升。由于环氧胶是 低热导材料， 因此， PN 结处产生的热量很难通过透明环氧胶向上散发到环境 中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、 PCB  与热沉向下发 散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一个普通型 的 LED ，从 PN 结区到环境温度的总热阻在 300~600℃/W 之间， 对于一个具 有良好结构的功率型 LED 器件， 其总热阻约为 15~30℃/W。巨大的热阻差异 表明变通型器件只能在很小的输入功率条件下才能正常地工作，而功率型器

件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

12.简述结温对 LED 光输出的影响。

实验指出， LED 的光输出均明显依赖于器件的结温。当 LED 的结温升高

时，器件的输出光强度将逐渐减小， 而当结温下降时，光输出强度增大。

表 4-2 列出了相对于 25℃而言， 100℃结温时不同波长响应的 InGaAIP 与

InGaN LED 的光输出通量的相对变化值。

表4-2    100  ℃结温时相对于25℃结温LED光通量的相对变化

这种变化的数学表达式如式（4-10）所示：

ΦV(T2)=  ΦV(T1)e-KΔT                                                  (4-10)

式中， Φv(T2)与Φv(T1)分别表示结温 T2 和 T1 时光通量输出， K 为温度系 数， ΔT=T2 - T1。一般情况下， K 值可由实验测定， 对于 InGaAIP LED，K 值 约为 1×10-2，随发光波长的变短略有增加。式（4-11）指出了光输出通量随

结温变化的另一种表示形式：

Φv(T2)=  Φv(T1)e- （T2-T1/T0 ）          （4-11）

这里 T0  表示一种特征温度， T0  值与材料有关。实验指出，对于红色的 InGaAIP LED，T0=85℃； 对于琥珀色 InGaAIP LED，T0≈55℃。而对于 InGaAIP LED ，T0  值约为 840℃，表明 InGaN  器件的温度系数远小于发红、黄光的 InGaAIP 器件，也即光通量随温度增加而减小的速率在比 InGaAIP LED 小得 多。

一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当 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。这种效应的发

生机理显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致器件参 数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小， 电子迁移也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而 当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复 至初态值。

13.LED 的正向电压与结温之间存在什么关系？

正向电压是判定 LED 性能的一个重要参量， 它的数值取决于半导体材料 的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。相对于 20mA  的正向电 流， 通常 InGaAIP LED 的正向电压在 1.8~2.2V 之间， 而发蓝、绿光的 InGaN LED 的正向电压在 3.0~3.5V 之间。在小电流近似下， LED 器件的正向压降由

式（4-12）表示：

VF=（nKT/q)ln(IF/I0)+RsIF                                          (4-12)

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。

分析式（4-12）的右边发现， 只是反向饱和电流 IO 与温度密切相关， IO 值随结温的升高而增大， 导致正向电压 VF 值下降， 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，两端的正向压降与温度的关系可由

式（4-13）表示：

VfT=VfTO+K(T-T0)                                    (4-13)

式中， VfT 与 VfTO 分别表示结温为 T 与 T0 时的正向压降， K 是压降随温 度变化的系数，对于 InGaAIP 与 InGaN LED，其 K 值大致可由表 4-3 所示。

表4-3 InGaAIP与InGaN LED的电压温度系

电压随温度的变化是可恢复的，但在高温情况下，由于结区缺陷与杂质 的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚 至出现恶性循环。通常，恒流是 LED 工作的较好的模式，如在恒压条件下， 由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致

器件损坏。

14.    当结温上升时， LED 的发光波长与颜色如何变化？

LED 的发光波长一般可分成峰值波长与主波长两类， 前者表示光强最大 的波长，而主波长可由 X 、Y  色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。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。 InGaAIP 与 InGaN 材料属Ⅲ—V 族化合物半导体，它们的性 质与 GaAs 相仿， 当温度升高时， 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如下：

λ（T2 ）=  λ（T1 ）+  △T·K

式中λ（T2 ）——结温 T2 时的波长；

λ（T1 ）——结温（T1 ）时的波长；

K——波长随温度的变化系数。

表4-4 LED波长偏移系数

表 4-4 指出了 InGaAIP 与 InGaN 器件主波长与峰值波长的 K 值，由表可 知，对于 InGaN 与 InGaAIP LED，峰值波长随温度的变化要大于主波长随温 度的变化，其中 InGaAIP   LED 尤甚。

人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的，在蓝、绿、黄 区域很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化，从而对蓝、绿、黄器件的 温升效应提出了更高的要求。一般来说， 2~5nm  的波长变化人眼就可以感觉 到， 而对红光波长的变化， 人眼的感觉就要相对迟钝一些， 但也能感觉到 15nm 的波长差异。为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度，有些公司的产 品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓。对于琥珀颜色，由于人眼最 为灵敏，因此颜色仓的波长间隔分得很细，仅为 2~3nm，但对于红色区域， 其间隔扩大到 15nm。这就是说，为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀 度的要求较高，而红色交通信号灯的颜色要求相对要低得多。

15.简述什么是热阻？它的定义和单位是什么？

通常将两个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该两个节点 间的热阻。其数学表达式为：

Rθ=△T/PD                                                                       （4-14）

其中，  Rθ为节点 1 与 2 之间的热阻， 为节点 1 与 2 之间的温差， PD 为两

点间的热功率流，热阻的单位为℃/W，即两点间流过单位热功率流（W）所 产生的温度差。显然， 热阻 Rθ越大， 散热能力越差； 反之， Rθ越小， 散热能 力越强。当电功率 W=VFIF 施加到 LED 上后， 在器件的 PN 结处将会产生大量 的热，致使芯片温度迅速升高。由于器件良好的热特性，大部分热量将通过 银浆、管壳、散热基板、 PCB  散发到周围环境中去， 从而抑制了器件芯片的 升温。

类同于电学中的电阻特性， 热阻出存在着相同的运算法则。当 n 个热阻 R θ1   ，R θ2   ，R θ3  …  ，R θn   相串联时，系统的总热阻为所有热阻值的相加，

即

Rθ总= R θ1 + R θ2 + R θ3 + … + R θn                                  （4-15）

当 n 个热阻 R θ1   ，R θ2  ，R θ3   …  ，Rθn 相并联时，系统总热阻的倒数等

于各个热阻的倒数之和，即

1/ Rθ总  =1/ R θ1 +1/ Rθ2 +1/ R θ3 + … + R θn                               （4-16）

显然，热阻是热学中的一个重要参量。实验中，只要我们测得两节点间 的热功率以及两个节点处的温度， 我们就可根据式（4-15）求得该两个节点间 的热阻。同样，只要知道某系统两个节点间的热阻与热功率流数值，我们就 可求得两点间的温差，并且可以根据某点处的温度，求得另一个节点的温度 值。

16 ．LED PN 结上最高结温的含义是什么？

在高温下， LED  的光输出特性除会发生可恢复性的变化外，还将随时间 产生一种不可恢复的永久性的衰变。 所谓最高结温是指确保一个 LED 器件在

正常工作条件下，器件所能承受的最高温度。为此，当环境温度升高时，应 适当减小工作电流， 直至当环境温度升至临界温度Tj时， 将工作电流减至零， 此时结温将等于环境温度。

通常有两种原因促使高温下 LED 输出性能的永久性衰减， 一个原因是材 料内缺陷的增殖。众所周知， 现代的高亮 LED 器件通常都采用 MOCVD 技术 在 GaAs、蓝宝石等异质衬底上外延生长 InGaAIP 或 InGaN 等材料制成。为提 高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于各外延层之间存在着或多或少 的晶格失配， 从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高温度时， 这些缺陷会快速增殖、繁衍， 直至侵入发光区， 形成大量的非辐射复合中心， 严重降低器件的注入效率与发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺 陷及来自界面与电极的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同 样会加速 LED 器件性能的衰变。高温时， LED 封装环氧的变性，是 LED 性 能衰变乃至失效的又一个主要原因。通常， LED  用的封装环氧存在着一个重 要特性，即当环氧温度超过一个特定 Tg=125℃时，封装环氧的特性将从一种 钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系 数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的 玻璃状转化温度， 其值通常为 125℃。当器件在此温度附近或高于此温度人作 时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生 过度疲劳乃至脱落损坏。此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温 度 Tg），特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性， 发黄， 影响封装环氧 的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长， LED  将逐渐 失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行得越快。为解决这一困难，  特别在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结构已摒弃了环氧材料而

改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、 PC 等材料制作透镜； 另一个重要方法是 让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实 践证明，通过如此改进，器件性能与稳定度获得了明显改善。

17 ．LED 器件的热阻模型，它由哪些部分构成？各有什么特点？

从 LED 器件的结构， 可以建立它的热阻构成的模型。图 4-10 是一个典型

的 LED 器件结构示意图。由图知，暂不 计 LED 芯片有源层到衬底间的热阻， 则 芯片内部主要是衬底的热阻， 我们用 R θs 来表示；衬底与引线支架间由于存在粘 结层，因此衬底到支架有一个粘结材料 引入的热阻， 用 Rθx 来表示； 安放芯片的 支架到自由空间的热阻 R θf，这三个热阻 构成 LED 芯片 PN 结到空气之间的总热

阻 R θ，于是：

Rθ= Rθs+ Rθx+ R θf                                                    (4-17)

(1)衬底到支架的热阻

假定芯片衬底是一个 200 μm 的正方形，银胶的厚度为 100 μm，已知银

胶的导热系数为 20W/m·K，可求得芯片衬底到支架的热阻为：

Rθx =h/(ρ银胶·S）≈ 125℃/W

（2）LED 衬底的热阻

若 LED 衬底是 GaAs，则ρGaAs≈18W/m·K，当厚度为 0.2mm 时， 衬底的 热阻：

Rθs ≈138℃/W

（3）支架的热阻

铁支架到空气的热阻可求得为 4.2  ℃/W，这个 LED 的总热阻 Rθ= Rθs+ R θx+ Rθf =267℃/W。这个 LED 当使用环境温度为 65℃时，它最多能承受的电 功率小于 0.2W。

上面讨论中，还未计入芯片有源层本身的热阻，只是这一层比较薄，尽 管也是 GaAs 材料，由于厚度仅几十微米，其热阻较衬底低 4~5 倍，约为 30 ℃/W。可以看出，普通封装的 LED 其总热阻在 300℃/W 左右， 只适用于小功 率使用。

根据上述的热阻模型， LED  热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的 粘合材料引起的热阻， 对于功率 LED 要降低热阻除加大衬底面积（即芯片面 积）外，用高导热系数材料作衬底及用高导热系数的合金材料作粘结材料是 降低 LED 热阻的主要途径。例如， 用导热系数为 75W/m·K 的硅胶材料作衬底，

在芯片面积为 1mm2，硅衬底厚度为 0.3mm 时，衬底的热阻 Rθ为：

Rθs=h/ρsi·S≈4℃/W

这就比常规 0.2mm×0.2mm 面积的 GaAs 衬底热阻低得多。若再用导热

系数为 76W/m·K 的钝锡（Sn）作衬底与支架的焊料时， 粘结层热阻 Rθx 就为：

Rθx=h/ρsi·S≈2.6℃/W

这样， 功率 LED 的总热阻有望可以控制在 4~6℃/W，此时热阻主要贡献 在于芯片材料本身。目前已有热阻低于 15℃/W 的封装。但这要求 LED 芯片 在衬底材料和粘合材料上改进， 前者用硅作衬底， 后者用 AuSn 或铅锡（PbSn) 等合金材料用合金工艺将芯片粘结在引线支架上，取代常规的银胶。

18．为什么说提高光效可降低结温？提高 LED 光效的主要途径有哪些？

通常将单位输入电功率所产生的光能称之为光电转换效率，简称光效。

根据能量守恒定律， LED  的输入功率最终将通过光与热两种形式释放出来， 光效越高放出的热量越少， LED  芯片的温升就越小，这就是提高光效可降低 结温的基本原理。

实验指出，对于高亮 LED，改进出光效率是提高 LED 光效的主要途径。 InGaAIP 通常是由 GaAs 衬底上外延生长 InGaAIP 发光区及 GaP 窗口区制备 而成， 与 InGaAIP 相比， GaAS 材料具有较小的禁带宽度， 因此， 当短波长的 光从发光区与窗口表面反射进 GaAs 衬底时将被悉数吸收， 成为器件发光效率 不高的主要原因。一个有效的改进方法是先除去 GaAs  衬底，代之以透明的 GaP  晶体，由于芯片内除去了衬底吸收区，从而大幅度提升了器件的出光效 率。近年来，日本、中国台湾的一些公司经过大量的研究，成功开发了一种 谓之 MB （金属键合） 的工艺技术， 获得了与透明衬底法相似的良好 效果.MB 工艺的基本要点是:先除 GaAs 衬底， 然后在其表面与 Si 基底表面同时蒸镀 Al 质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起。因此，从发光层照射到基 板的光线被 Al 质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高 2.5 倍 以上。除 MB 结构的器件外，中国台湾国联公司还开发了一种谓之 GB 型的 高亮度 InGaAIP   LED  的新一代器件，该工艺是采用一种新型的透明胶， 将 具有 GaAs  吸收衬底除去，并在外延层上制作电极从而获得了很高的发光效 率。德国欧司朗公司开发的表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有 效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻制大量尺寸为光波长的小结构， 从而使透光效率明显提高。实验表明，大量纹理结构层的厚度越薄，纹理腐 蚀得越深，则出光率的增加将越明显。测量指出，对于窗口层厚度为 20 μm 的器件，出光效率可增长 30%，当窗口层厚度减至 10 μm 时，出光效率将有 60%的改进。对于 585~625nm 波长的 LED 器件 ，制作纹理结构后，发光效

率可达 30lm/W，其值已接近透明衬底器件的水平。

对于一般结构的 GaN 基蓝绿光器件， P 型表面的 Ni-Au 金属电极层限制 了光的输出效率， 采用 GaN LED 倒装芯片结构后， 由于芯片倒装于 Si 基垫上， LED  发出的光直接透过蓝宝石射出， 出射的光强损失较小，从而提升了它的 出光效率。实验指出， 在 450~530nm 的峰值波长区域， 倒装功率型 LED 器件 的最低效率要比普通型器件高出 1.6 倍。

19.试述热阻在功率 LED 光源应用中的作用。

大量实践表明， LED 不能加大输入功率的基本原因是由于 LED 在工作过 程中会放出大量的热， 使管芯结温迅速上升。输入功率越高， 发热效应越大， 温度的升高将导致器件性能的变化与衰减， 直至失效。减小 LED 温升效应的 主要方法： 一是设法提高器件 的电光转换效率， 使尽可能多的输入功率转变 成光能；另一个重要途径是设法提高器件的热散失能力，使结温产生的热通 过各种途径散发到周围环境中去。显然，对于一个确定的 LED，设法降低热

阻是降低结温的主要途径。

实践指出， LED 的热阻将严重影响器件的使用条件与性能。图 4-11 指出

了具有不同热阻值的 LED，极大正向电流随环境温度的变化。由此可见，到

于确定的环境温度，热阻越小， 所对应的极大正向电流就越在。 这显然是由于，当热阻较小时， 器件的散热能力较强， 因此为达 到器件的最大结温，器件 工作

在较大的正向电流。反之， 如器

件的热阻较大，器件散热不易，故在较小的正向电流下， LED  即可达到最大

结温。

图 4-12  指出了不同热阻的器件的光 通量与正向电流的关系，由此可见，当 热阻较小时， 由于 PN 结温的上升， 当正 向电流加大到某值时，光通量将趋于饱 和，并随之逐渐下降。相应于确定的正 向工作电流，热阻越小，器件对应的光 通量就越大，这显然与较小的热阻使器

件保持在一个较低的芯片温度有关。

根据以上分析可知，较低的热阻值是制作功率型 LED 的重要前提，因为 较小的热阻才能使器件在较大的输入功率下工作，同时又能获得较大的光功 率输出。一般说来，一个普通型的器件从 PN  结区到环境的总热阻值约在 300~600℃/W 之间， 而一个性能良好的功率 LED，其总热阻值应可保持在 30 ℃/W 以下。巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下，

才能正常地工作；而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

20.如何减小 LED 的热阻值?

对于一个 LED 管， 设法降低 PN 结与应用环境的热阻是提高器件散热能 力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料， 因此 PN 结处产生的热量很难通过 透明环氧向上散热到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘 结层、 PCB  与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的

热阻与散热性能。

表4-5 LED衬底材料的热导系数

表4-6  常用热沉材料的热导系数

表 4-5、表 4-6 指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与 环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为 20~30W/m·K  与

15~25W/m·K。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值：

Rθ=h/ ρ·S                                               （4-18）   式中，ρ为物体的热导系数，单位为 W/m·K[瓦/ （米×度） ]；S  为物体

截面积， 单位为 m2 （平方米）； h 为导热路径上两个节点间的距离， 单位为 m  （米）。显然为减小 LED 的总热阻， 应设法减小芯片 PN 结到环境之间的距离， 增大散热通道面积及采用高热导的材料。由于 LED  的衬底材料 GaAs、蓝宝 石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相 继开发了去除 GaAs 衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替你胶粘结等新技 术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。

由表 4-6 可知，纯铜与纯铝是两种具有极高热导的适于 LED 支架与热沉 的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件 的总热阻。实验指出，散热面积越是减小热阻的有效途径。

21.请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法。

根据 LED 的热阻公式：

Rθ= ΔT/W                                          (4-19)

式中，ΔT=T 结-T 环境 ，W 为输入电功率，一般情况下， W=V ·I，其中 V 是外加电压， I  为正向电流。由于式（4-19）中， T 环境是可以测得的， W 也可 以通过计算求得。因此我们只要测的 PN 结 T2，就可以求得 LED 的总热阻值 Rθ。一个简单而直接的办法是采用微型热偶或红外测温显微镜， 直接测得 LED 芯片表面的温度，并将此温度视为芯片结温。然而，此方法显然有些粗糙， 并且对于一个现成的 LED 管难于直接测量芯片表面的温度。通常可利用确定 电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定 LED 的结温。

根据 PN 结的电流公式， LED 的 VF 可以表示为：

VF= （KT/q）× InIF/IF（0）=（KT/q） ·C                     （4-20）

式中用 C= InIF/IF（0），当 IF 为常数（即恒流情况下） 时， C 为常数。对式

（4-20）求温度 T 的导数可得：

d VF/dT=K/q·c                                                  (4-21)

对一个 LED 来讲，式（4-21）是线性关系，大量测试证明， LED 的 VF 温度系数 d VF/dT 处于-1.8~-2mV/℃范围内，基本上是一个可预知的数。一般 可取 d VF/dT =-2mV/℃，作工程近似计算数值。

我们在被测 LED 上施加不足以引起 PN 结温升的恒定较小的电流（例如 IF=1mA），并将被测 LED 放置在温度可调节的恒温槽（或箱）内，测出不同 Tj下的 VF 值， 可以发现它符合式（4-21）的规律， 并可作出斜率为-2mV/℃的 VF-Tj的关系曲线：

假设被测 LED 在 Tj=100℃时，其 VF=1.7V，则在 Tj=20℃时，其 VF =1.7V+80℃×2 mV/℃=1.86V。

第二步可以对被测 LED 在常温下施加足够大的电功率 P0，使其温升提 高，当达到温度平衡时，此时快速切断这一电功率，并转换成 IF 在小电流状 态， 迅速测出其 VF，例如测得 VF=1.7V，则可以知道， 在功率 P0 作用下， LED PN 结温从常温 25℃上升到Tj=100℃。于是就可以计算出这个 LED PN 结到空 气间的热阻（总热阻），假设 PO=1W 时，有：

RO= ΔTj/P0=(100℃-25℃)/1W=75℃/W

以上就是测量热阻的一个较为常用的方法。

22.芯片局部过热的原因是什么,对 LED 的右靠使用有何隐患,如何测量芯片表 面的温度分布?

一般来说,传统的 LED 芯片由于面积较小,并具有很厚的窗口层， 因此流

过芯片的电流较为均匀。对于由 MOCVD 生长的 I nGaAIP 四元系高亮度芯片， GaP  窗口层较薄，材料的电导率也较低，考虑到金属的遮光效应，电极也不 能做得很大，从而使注入电流不能扩展到整个有源层。电极注入电流密度较 大,造成样品的局部过热,引致芯片发热不均匀。根据薄层电流的扩展公式， 其 扩展电流的范围由其 L0=2（KTd/qρxJe)1/2 决定， 式中， K 为玻尔常数， q 为电 子电荷， Je 为总电流， d 为窗口层厚度， px 为薄层的电阻率。由式可见， 特征 长度与窗口层厚度 d  成正比，与窗口层的电阻率及总电流成反比。因此，为 增大电流扩展效应有必要适当增大窗口层的厚度与电导率。 对于大功率 LED， 由于芯片面积较大，这种局部过热的现象更为突出，此时，采用布及整个芯 片表面的网状或梳状的电极结构显得十分重要。

芯片的局部过热将严重影响 LED 的性能与可靠性。由于结温的升高会降 低器件的发光效率，并使波长发生红移，从而使 LED 不仅光效降低，而且使 器件的单色性变差，光波的半峰宽增大。特别对于大功率 LED，由于工作电

流的加大，芯片已处于很高的温度，局部的过热有可能造成芯片的局部温度 超过临界温度，产生不可逆转的衰变，从而降低了器件的使用寿命。

显然，准确测量芯片表面的温度分布对于掌握芯片局部过热情况，指导 合理的芯片版面的结构设计是十分重要的。由于芯片很小，采用热电偶等直 接接触技术来进行芯片温度分布的测量是十分困难的。采用红外测温仪对芯 片表面温度进行非接触测量是较为通行的方法。被测的芯片表面射出红外能 量通过红外测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，再变换成温度的数 据。红外测温仪重量轻、体积小，使用方便，不会污染或损坏被测物体，并 且具有较快的测量速度与很高的测试精度。通过扫描还可实现红外成像，从

而能更生动地显示芯片表面的温度分布。

23.请介绍一下 LED 光电参数中哪些参数与电流 IF 相关？

从前面介绍的 LED  电流电压特性知道， LED  电学参数中，主要有 LED

的正向压降 VF 和 LED 上的电功率 Pe ，这两个电学参数均与电流 IF 相关。

由式（ 1-6）知： VF=VF（0）+IF

对上式求 IF 的导数可得：

ΔVF ≈ΔIF ·RS

·RS+（ΔVF/ΔT） ·ΔTj          (4-22)

（4-23）

式中，RS 是 LED 正向 V—I 特性曲线的斜率或称动态电阻，从式（4-23）

知，ΔIF 引起ΔVF 的变化近似于ΔIF ·RS ，RS 越大，ΔVF 变化也越大。

其次， IF 的变化会引起 LED PN 结上电功率的变化， 由式（1-7）知， Pe=VF ·IF

可求得ΔPe≈ΔIF （VF+IFRS ）                          （4-24）

另外， LED 的 IF 变化还会引起 LED 光学特性的变化，随着 LED 的 IF 的

增大，其发光强度也随之增加，直到 IF 增大到一定范围， IV 不再随之增加，

甚至因 PN 结温升过高反而使 IV 下降，如图 4-13 所示。这是一个变化趋势示

意图，不同材料与结构的 LED 其变化趋势也不同，可以从实验上统计出它规

律。

显然，LED 的IF 的变化还会引起发光波长的漂移， IF 的变化会引起LED PN 结内迁移率的变化， 导致λ的变化。另外， IF 的增加又会引起 PN 结上结温的 升高，引起λ的变化，使其发光特性变化，也就是所谓颜色的偏移。

从上面的简述可以知道， LED 的 IF 的变化会引起 LED 电学、光学甚至热 光特性的相应变化。当 IF 变到一定范围值时，会引起 LED 的退化甚至失效， 因此， LED 在工作时，希望其 IF 保持恒定，不受电压、温度等外部影响，使 LED 保持正向电流恒定，以保持 LED 性能的基本恒定。

24.LED 工作时，较好的驱动方法是什么？

上面已经简单分析了 LED 的正向电流 IF 对 LED 电、光、热参数的影响， 从中可以看出， LED 是一种电流型控制的半导体发光器件，控制好它的 IF ， 也就是控制好了它的电学、光学、热学等参数。

对于电流型控制的半导体器件， 常用的驱动（又称偏置） 方法是用恒流

电源作 LED 的 IF 供电。恒流电源是什 么？恒流电源是一种内阻为无限大的 电源，为说明它的恒流特性，我们先 从图 4-14 的原理图谈起。

图中，当 LED 的 VF 已知时，在 电源 U 确定时，流过 LED 的正向电

流

IF=（U-VF ）/R                                     （4-25）

对式（4-25）求ΔU 导数：ΔIF/ ΔU=1/R

ΔIF= ΔU/R                           （4-26）

一个电路在电源电压 U 发生ΔU 变化时， 则从式（4-26） 知， 仅当 R  ∞，

ΔIF 0，这可用图 4-15 的等效电路和图 4-16 的恒流电源 V—I 特性来表示。

从图 4-16 可看出,在>U1，<U2 的区间中， 电流 Iconst恒定， 图中， U1 为起 始电压， U2 为最高工作电压。在 U2—U1 范围内， 为恒定工作区， 当然这是理 想的情况。实际上，任何实际电源，在有限范围内，内阻不可能为无限大， 只要电源内阻远大于 LED 的动态电阻，就可以近似地认为 IF 恒定。

图 4-17 示出一个实际的恒流电源电路原理图。图中 A 为运算放大器，

其电压增益在 105~106 之间，利用其两个输入端间电位差近似为零的“虚地”

特性，可以认为流过 LED 的电流 IF 可以表

示为： Vi=IF ·RS

IF=Vi/RS                        (4-27)

例如， 当 Vi=1V 时， 欲使 IF=20mA， 只 要在图 4-17 中满足：RS=Vi/IF=1V/20mA=50 Ω即可。

显然，只要 V1 和 RS 恒定，流过 LED

的电流就不会变化。假定运放电压增益 A0=106