謝華清，黎 陽，吳中林(. 上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 009；. 上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海 009）

基于電阻溫度系數(shù)的GaN基LED結(jié)溫測(cè)量研究

謝華清1，黎 陽1，吳中林2
(1. 上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201209；2. 上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海 201209）

實(shí)驗(yàn)研究了不同驅(qū)動(dòng)電流下GaN基LED的電阻與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)LED的電阻隨工作溫度的升高而減小，且兩者成線性關(guān)系；通過線性擬合得到的電阻溫度系數(shù)值在寬的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)維持穩(wěn)定。利用這一特性，可以通過標(biāo)定單個(gè)設(shè)定電流下的電阻溫度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)任意工作電流（該工作電流應(yīng)處于電阻溫度系數(shù)維持穩(wěn)定的電流范圍內(nèi)）作用下LED結(jié)溫的測(cè)試。

發(fā)光二極管；結(jié)溫；氮化鎵；電阻溫度系數(shù)

0 引言

利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，通過電流的注入，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode：LED）利用電子與空穴的復(fù)合將能量以光的形式釋放出來。LED照明具有環(huán)境友好、節(jié)能以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)照明技術(shù)的革命[1]。LED，尤其是高功率和高效能的LED可望廣泛應(yīng)用于平板顯示背光、路燈、全色顯示民用照明以及車燈等諸多領(lǐng)域。在工作狀態(tài)下，通常LED由于自加熱可引起結(jié)溫（Junction temperature）的顯著提高，故為確保LED能夠長期高效地工作，通過熱設(shè)計(jì)將結(jié)溫控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，成了LED應(yīng)用的關(guān)鍵問題[2]。作為衡量一個(gè)LED器件使用性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，結(jié)溫是LED器件工程應(yīng)用中可靠性測(cè)量的核心要素，也是LED產(chǎn)品檢測(cè)中的主要考察對(duì)象。因此，準(zhǔn)確測(cè)量LED的結(jié)溫具有重要的實(shí)際意義。

目前測(cè)量LED結(jié)溫的方法主要有熱電壓法[3]、液晶陣列熱成像法[4]、微拉曼譜法[5]、發(fā)光光譜法[6]等，然而這些方法仍存在諸多不足，如熱電壓法是通過標(biāo)定LED工作電流下的電壓隨溫度變化的關(guān)系，進(jìn)而測(cè)量不同工作狀態(tài)和散熱條件下的結(jié)溫，但如果工作電流發(fā)生改變，則又需要重新標(biāo)定；液晶陣列熱成像法、微拉曼譜法、發(fā)光光譜法等對(duì)測(cè)試儀器的精度要求高，所需的相關(guān)設(shè)備昂貴。

本研究通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LED電阻溫度系數(shù)在寬的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，并據(jù)此提出了一種基于電阻溫度系數(shù)的LED結(jié)溫測(cè)試方法，克服了現(xiàn)有測(cè)試方法的技術(shù)局限，從而使成本較低的普通測(cè)試裝置即可簡單高效地測(cè)得LED結(jié)溫。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究使用的LED為商用GaN基白光LED，其實(shí)物照片如圖1示。采用四線法測(cè)量不同條件下LED電阻的變化情況，測(cè)試電路如圖2所示：將數(shù)控恒流電源（Advantest R6243, Japan）、LED和標(biāo)準(zhǔn)電阻連接成閉合回路；標(biāo)準(zhǔn)電阻和LED兩端分別連接有高精度數(shù)字萬用表（Keithley 2002 Multimeter, USA）；恒流電源和萬用表均連接至計(jì)算機(jī)。封裝好的LED直接置于溫度可控的恒溫浴中；恒溫浴的溫度由粘接在LED上的熱電偶測(cè)量；恒溫浴的變溫范圍為?10 ℃ ～ 110 ℃，控溫精度為± 0.1 ℃。設(shè)定恒溫浴溫度，計(jì)算機(jī)控制恒流電源通入設(shè)定電流，并通過萬用表實(shí)時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓SV和LED上的電壓LV；根據(jù)串聯(lián)電路特征，計(jì)算LED電阻LR, 即

圖1 實(shí)驗(yàn)用LED實(shí)物照片F(xiàn)ig. 1 Picture of the LED sample used in the experiments

圖2 測(cè)試電路示意圖Fig. 2 Schematic of the measurement circuit

2 結(jié)果與討論

維持恒溫浴溫度，通過計(jì)算機(jī)控制恒流電源通入設(shè)定電流，并通過萬用表實(shí)時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓SV和LED上的電壓LV, 可獲得同一溫度條件下通以不同電流時(shí)的電阻。改變恒溫浴的設(shè)定溫度，通以相同的電流，可獲得同一電流條件下電阻和溫度的關(guān)系。分析測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一工作電流作用下，電阻和溫度成很好的線性關(guān)系。而實(shí)際的二極管可以看作由一個(gè)理想二極管與等效電阻串聯(lián)而成，串聯(lián)電阻引起的壓降不能忽略，電流與電壓的關(guān)系可近似寫為[7]

其中I0是反向飽和電流，VF、IF分別是輸入電壓和輸入電流，q為電子電荷，Rc是等效串聯(lián)電阻，n為理論因子，k為玻耳茲曼常數(shù)。

上式也可表示成輸入電壓形式，即[8]

其中，nkT/q = 0.025 69 V。在恒定電流FI驅(qū)動(dòng)時(shí)，溫度升高對(duì)電壓的影響主要由式（3）右邊的第一項(xiàng)決定，內(nèi)阻變化產(chǎn)生的電壓變化可以忽略。在第一項(xiàng)中，反向飽和電流隨溫度升高增加的速度很快，是導(dǎo)致正向壓降隨溫度升高而降低的主要原因。另外，反向飽和電流I0不僅與溫度有關(guān)，而且還和能帶寬度有關(guān)，具體可表示為

式中C是器件參數(shù)，與器件類型、摻雜濃度、幾何尺寸以及構(gòu)成器件的材料等有關(guān)，E(T)為溫度T時(shí)的能帶寬度。由于用于制造LED的半導(dǎo)體材料的能帶寬度表現(xiàn)出很強(qiáng)的溫度依賴特性，一般隨著溫度的升高，能帶寬度呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)。如果采用一級(jí)近似，能帶寬度可表示為

其中α為帶負(fù)號(hào)的溫度系數(shù)。式（3）可以改寫成

如果把式（7）左邊項(xiàng)看成LED隨溫度變化的電阻RL,T，則在恒定電流驅(qū)動(dòng)下，RL,T將和溫度成線性關(guān)系。圖3示例性表示了200 mA，260 mA和320 mA三個(gè)工作電流下電阻和溫度的關(guān)系。圖中結(jié)果表明，LED的電阻和工作電流密切相關(guān)，隨工作電流的增大而減?。欢谕还ぷ麟娏飨?，LED的電阻和溫度成很好的線性關(guān)系。我們還測(cè)試了其他工作電流（2 mA，5 mA，10 mA，20 mA，35 mA，50 mA，70 mA，90 mA，115 mA，140 mA，170 mA，230 mA，290 mA，350 mA）下LED的電阻和溫度的關(guān)系，也得到了類似的結(jié)果（未附圖）?？蓪?duì)不同溫度下所測(cè)得的電阻按如下關(guān)系式進(jìn)行線性擬合

其中L,TR和L,0R分別指溫度為T和0 ℃時(shí)的LED電阻，β為LED的電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值，T為溫度。通過對(duì)不同工作電流下獲得的電阻和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合計(jì)算，得到不同工作電流下的L,0R和β。

圖3 不同電流下電阻和溫度的關(guān)系示意圖Fig. 3 Dependence of the resistance on the temperature at different testing currents

圖4 給出了不同工作電流下的RL,0。由圖可見，隨工作電流的增加，0 ℃時(shí)LED的電阻減小。有意思的是兩者成指數(shù)關(guān)系。如果對(duì)lnRL,0和lnI作圖發(fā)現(xiàn)，lnRL,0和lnI成很好的線性關(guān)系，其擬合關(guān)系式為

圖4 0 ℃下電阻和通入電流的關(guān)系Fig. 4 Dependence of the resistance on the working current at 0 ℃

如果對(duì)式（7）進(jìn)行整理會(huì)發(fā)現(xiàn)，與RL,0對(duì)應(yīng)的項(xiàng)是∝(A+Bln IF)，因此擬合式中出現(xiàn)的指數(shù)為 ?0.944，接近于?1是合理的。

不同電流下所測(cè)得的電阻溫度系數(shù)β如圖5所示：

圖5 不同電流下所測(cè)得的電阻溫度系數(shù)βFig. 5 Measured resistance-temperature coefficient β at different currents

結(jié)果表明，當(dāng)通入電流較小時(shí)，β隨通入電流I的增加而增加，當(dāng)I達(dá)到115 mA后進(jìn)一步增大, β則維持穩(wěn)定。在該穩(wěn)定范圍內(nèi)，β在±2.3 %內(nèi)波動(dòng)。β的平均值為8.99×10?4。利用依據(jù)下式可以測(cè)試LED的結(jié)溫

圖6給出的是實(shí)驗(yàn)用LED溫升隨驅(qū)動(dòng)電流施加時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)定在室溫條件（25 ℃）下進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)電流均為320 mA。研究中考察了兩種環(huán)境條件，一種是在空氣（air）中測(cè)試，LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過基座和周圍空氣發(fā)生傳熱；另一種是把LED浸沒在乙二醇（EG）中進(jìn)行測(cè)試，LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過基座和周圍EG發(fā)生傳熱。從圖6可以看出，在施加驅(qū)動(dòng)電流初始的3 ～ 4 s內(nèi)，LED溫度很快升高了6 ～ 7 ℃。值得注意的是，在這段時(shí)間內(nèi)，溫升和環(huán)境條件關(guān)系不大，LED工作在空氣中和在EG中的溫升曲線幾乎重合。而在5 s之后，LED工作在空氣中的溫升開始高于在EG中的情況，而且隨著工作時(shí)間的延續(xù)，二者的差別越來越明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于：初始工作階段，LED產(chǎn)生的熱量主要被半導(dǎo)體本身和臨近的基片所吸收，產(chǎn)生溫度升高，基片和周圍環(huán)境的對(duì)流換熱的影響不明顯；隨著工作時(shí)間的延續(xù)，基片表面溫度升高，基片和周圍環(huán)境的對(duì)流換熱影響開始顯現(xiàn)，EG和基片之間的自然對(duì)流傳熱要明顯強(qiáng)于空氣和基片之間的自然對(duì)流傳熱，使得在浸沒在EG中的基片的熱量較快地被周圍的液體帶走，從而溫升較低，而空氣中的自然對(duì)流較弱，相應(yīng)的溫升就越大。在我們的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，后期（6 ～ 20 s）在空氣中工作的LED的溫升隨時(shí)間幾乎成線性增加，在第20 s時(shí)已超過14 ℃；而在EG中工作的LED的溫升在第20 s時(shí)還不到10 ℃。

圖6 LED溫升隨驅(qū)動(dòng)電流施加時(shí)間的變化Fig. 6 Variation of the LED temperature increase with the working time

3 結(jié)論

對(duì)GaN基白光LED工作特性研究表明，隨著工作溫度的升高，電阻減小。在同樣驅(qū)動(dòng)電流作用下，電阻和溫度成很好的線性關(guān)系。本工作通過線性擬合得到了在確定驅(qū)動(dòng)電流下的電阻溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)所研究的LED的電阻溫度系數(shù)隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加首先表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但其增大的速率逐漸減?。划?dāng)達(dá)到一定驅(qū)動(dòng)電流值（115 mA）時(shí)，進(jìn)一步增大驅(qū)動(dòng)電流，電阻溫度系數(shù)保持基本不變。因此，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過標(biāo)定單個(gè)設(shè)定電流下的電阻溫度系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)任意工作電流（該工作電流應(yīng)處于電阻溫度系數(shù)維持穩(wěn)定的電流范圍內(nèi)）作用下LED結(jié)溫的測(cè)試。采用本文提出的測(cè)試LED結(jié)溫的方法進(jìn)行測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）單次標(biāo)定，即在寬的工作電流范圍內(nèi)，僅需任意選取某個(gè)（或某幾個(gè)）電流標(biāo)定出電阻溫度系數(shù)；（2）操作簡單易行，可采用類似于常規(guī)電阻溫度傳感器的操作過程；（3）僅需常規(guī)的電測(cè)試裝置。

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Abstract:The relationship between the resistance and the temperature of a GaN based light emitting diode (LED) has been investigated under different driving current. It was found that the resistance decreased proportionally with an increase in the temperature. The resistance-temperature coefficient has been obtained by linearly fitting resistance and temperature. The coefficient values keep almost constantly in a wide driving current range. Using this characteristic, the junction temperatures of LED under any working current (within the current range in which the coefficient values almost constantly) can be detected by determining the resistance-temperature coefficient under a specific current.

Study on the Junction Temperature Measurement of GaN Based LED Using Resistance Temperature Coefficient

XIE Hua-qing1, LI Yang1, WU Zhong-lin2
(1. School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. School of Science, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China)

light emitting diode; junction temperature; GaN; resistance temperature coefficient

O482.31

A

1001-4543(2012)01-0001-06

2011-12-22;

2012-02-06

謝華清（1970－），男，福建古田人，教授，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境能源材料，電子郵箱hqxie@eed.sspu.cn。

上海高校特聘教授（東方學(xué)者）崗位支持計(jì)劃