溫度對LED性能的影響

摘要：從LED發光原理出發，結合實驗將紅藍橢圓燈分別在室溫和85℃的恒溫箱中用20 mA電流點亮168 h后測試其法向光強及正向電壓，然后分析了PN結溫度和環境溫度對LED性能的影響。
關鍵詞：LED；橢圓燈；法向光強；正向電壓；PN結

0 引言
與傳統光源相比，LED光源為固體冷光源，具有壽命長，光效高，無輻射，功耗低，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高等特性。在全球提倡綠色照明的今天，LED作為新型綠色照明光源受到全球的追捧。然而，在LED高速發展的同時，如何進一步提高LED的壽命及可靠性確是迫在眉睫的事。本文從理論和實驗出發，研究并分析了溫度對LED性能的影響，從而提出可以提高LED的壽命和可靠性問題的方法。

1 LED發光原理
LED是一種半導體二極管，核心發光部分為P型和N型半導體構成的PN結，LED除了具有一般PN結特性外，還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區．空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子與多數載流子復合而發出光子，發光原理如圖1所示。

2 溫度對LED性能的影響
2. 1 溫度對LED發光強度的影響
當PN結溫度上升時，半導體的晶格振動幅度增加，當原子的振動能量高于一定值時，電子從激發態躍遷到基態時會與晶格原子(或離子)交換能量，發生無輻射躍遷。這種過程的幾率隨溫度的增加而呈指數式增加。因此，當溫度上升到一定程度之后，半導體的尢輻射躍遷增加，內量子效率降低，從而導致發光強度下降。
當溫度上升時，LED封裝用環氧樹脂會逐漸變性，發黃，從而影響環氧樹脂的透光性能，導致外量子效率降低，發光強度下降。
2. 2 溫度對LED正向電壓的影響
正向電壓是判定LED性能的一個重要參數。通常InGaA1P LED 20 mA正向電流下的正向電壓在1．8～2. 2 V之間，InGaN LED的正向電壓處在3．0～3 6 V之間。在小電流近似下，LED的正向電壓可表示為：

式中，Vf為正向電壓，If為正向電流，I0為反向飽和電流，q為電子電荷，k是玻爾茲曼常數，Rs是串聯電阻，n是表征PN結完美性的一個參量，處在1～2之間。式(1)右邊的反向飽和電流I0與溫度密切相關，I0值隨溫度的升高而增大，導致正向電壓
Vf下降。