led热学研究PPT课件
LED的电学、光学、热学特性
LED的电学、光学、热学特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
本文将为你详细介绍。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如上图：（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS为反向饱和电流。
V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，IF = IS e qVF/KT（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。
（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。
1.2 C-V特性鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil(280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。
LED主要参数及电学、光学、热学特性
LED主要参数及电学、光学、热学特性LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性:I-V特性、C-V特性和光学特性:光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质:单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图:(1)正向死区:(图oa或oa′段)a点对于V0为开启电压，当V<Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大;开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
(2)正向工作区:电流IF与外加电压呈指数关系IF=IS(eqVF/KT–1)---IS 为反向饱和电流。
V>0时，V>VF的正向工作区IF随VF指数上升IF=ISeqVF/KT(3)反向死区:V<0时pn结加反偏压V=-VR时，反向漏电流IR(V=-5V)时，GaP为0V，GaN为10uA。
(4)反向击穿区V<-VR，VR称为反向击穿电压;VR电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V<-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2C-V特性鉴于LED的芯片有9×9mil(250×250um)，10×10mil，11×11mil(280×280um)，12×12mil(300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容(零偏压)C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系(如图2)。
由1MHZ 交流信号用C-V特性测试仪测得。
1.3最大允许功耗PFm当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。
LED热特性分析
几种常见的主动散热方式：风冷散热、液冷散热、热管散热、 半导体制冷、化学制冷
——被动式散热：
通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其 散热的效果与散热片大小成正比，但因为ห้องสมุดไป่ตู้自然散发热量，效果当然 大打折扣，
热管技术
1963年，热管诞生于美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover 之手，它巧妙地利用了气液变化过程中的吸放热原理，具备了超过任 何已知金属的导热能力。
芯片物理性质
芯片尺寸
目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在 1mm2左右,因此其功率密度很大
芯片主要材料
蓝绿光PN结: GaN，掺杂有In，Al等 衬底：蓝宝石/碳化硅/铜合金等
发光的光谱分布
此外与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中 不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放 出去。所产生的热量大部分都转化为使芯片本身温度升高 的升高的能量。
E是物体表面的热辐射系数。 S是物体的表面积， F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较 难以解释。
Δ(Ta－Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系 数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。
散热的基本方式
依照从散热器带走热量的方式： ——主动式散热：
通过风扇等散热设备强迫性地将散热 片发出的热量带走，其
LED热学特性分析
报告提纲
• LED的温升效应 • 结温对LED的影响 • 散热相关研究
引起PN结温升的主要原因
➢LED发光原理 ➢LED芯片物理性质 ➢LED发光的光谱构成
发光原理
发光原理
对于目前功率型LED： 辐射复合：15％～20％
东南大学物理学院-LED热学特性研究实验讲义
大功率LED热学特性研究（课题实验）发光二极管（Light Emitting Diode, LED）在过去十几年里有了飞速的发展，逐渐突破了仅能作为低功率指示灯光源的限制，被广泛应用于日常照明和显示等领域[1-2]。
LED是通过外电流注入的电子和空穴在耗尽层中复合，以辐射复合产生光子而发光，同时也会有部分复合能量传递给晶格原子或离子，发生非辐射跃迁，这部分能量转换成热能损耗在PN结内。
对于小功率LED来说这部分热量很小可以不作考虑。
然而，对于大功率照明用LED而言，其发热量大幅提高，直接影响到了LED的发光效率和器件的使用寿命，以及引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。
因此，研究功率型LED的热学与发光特性不仅涉及半导体物理的基础问题，也是目前光电工程领域的开发热点[3-4]。
一、实验原理简介1. 脉冲法测量结温准确测量LED的结温是研究LED热学特性的基础。
LED灯的基本结构如图1所示，其芯片的核心结构是一个半导体的PN结，所谓LED的结温指的就是PN结的温度。
由于PN 结的尺寸很小，又被荧光材料和树脂胶包裹，无法直接测量其温度，因此常用间接法来测量结温。
本实验仪器采用一种较为新颖的脉冲法测量结温，该方法于2008年由美国NIST实验室提出[7]。
其核心思想是通过脉冲电流来限制结温TJ的上升，使之与器件表面可测量温度TB接近一致。
当给待测LED灯通入一个幅值为额定值的脉冲电流时，芯片在脉冲内正常发光并升温，但由于电流占空比很小，芯片温度会在一个较长的电流截止状态下降低到和表面温度一致。
从整体效果来看，只要脉冲占空比足够小，LED的芯片温度能维持和表面温度一致，如图2所示。
这样，只要借助温控仪就能在脉冲电流下定标出芯片两端的电压‒温度曲线。
由于在电流一定时，特定PN结的压降仅和结温有关，所以在有了LED的电压‒温度曲线后，只需测量正常工作时LED两端的电压就可以得到其实际的结温。
图1 功率型LED 基本结构示意图图2 （a ）LED 在不同占空比的脉冲电流下结温随时间的变化示意图；（b ）待测LED 灯珠在脉冲电流和稳流状态下点亮时，器件表面温度随时间的变化曲线。
10.02-2 LED的光学特性及热学特性
LED的光学特性及热学特性LED是运用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具有pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱答复特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
LED光学特性发光二极体有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来丈量其光学特性。
发光法向光强及其角分佈Iθ发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要功用。
LED许多运用央求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。
当违反正法向异常θ角度，光强也随之改动。
发光强度跟着异常封装形状而强度依托角方向。
发光强度的角分佈Iθ是描绘LED发光在空间各个方向上光强分佈。
它首要取决于封装的工艺（包含支架、模粒头、环氧树脂中增加散射剂与否）发光峰值波长及其光谱分佈LED发光强度或光功率输出跟着波长改动而异常，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。
当此曲线判定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。
LED的光谱分佈与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方法无关。
无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp标明。
只需单色光才有λp波长。
谱线宽度在LED谱线的峰值两头±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。
半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40 nm。
主波长有的LED发光不单是单一色，即不只需一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。
为此描绘LED 色度特性而引入主波长。
主波长就是人眼所能观察到的，由LED宣告首要单色光的波长。
单色性越好，则λp也就是主波长。
如GaP材料可宣告多个峰值波长，而主波长只需一个，它会跟着LED长时间使命，结温升高而主波长倾向长波。
LED的光学特性及热学特性
主波长
有的Ｌ Ｄ Ｅ 发光不单是单一色 ，即不仅有一个峰值 波长 ；甚至有 多个 峰值 ，并非单色光 。为此描述Ｌ Ｄ Ｅ
Ｇ ｔｎ ｅ ｏｔ ｆ ｔｅ 追 根溯 源 ｅｔ ｇｔ ｏ ｔｒ ｉ ｈ Ｒ Ｏ Ｍａ
＞＞ ＞
发光峰值波长及其光谱 分布
Ｌ 发 光强 度或 光功率 输 出随 着波长 变化 而不 ＥＤ
ＬＤ Ｅ 单色性的参数 。Ｌ Ｄ半宽小于４ ｍ。 Ｅ ０ｎ
同，绘成一条分 布曲线—— 光谱分布 曲线 。当此 曲线 确定之后 。器件 的有 关主波长 、纯度等相 关色度学参
发光 效率和视觉灵敏 度
成光能 的效率 ）与外部 效率 （ 辐射到外部 的效率 ）。
前者只是 用来分析 和评 价芯片优 劣的特性 。Ｌ Ｄ光电 Ｅ
分 ，总的发光效率应 为 Ｔ＝ ｉ１ ，式 中 １ Ｔｅ ＴＣ １
结 为在势垒 区少 亍 ① ＬＤ Ｅ 效率 有内部效率 （ ｎ ｐ 结附近 由电能转 化 Ｐ、ｎ 区少子注入效率 ， ｃ 复合效率 ， ”ｅ 为外部 出光 【 光取出效率 ） 效昌 由于Ｌ Ｄ材料折射率很 高 Ｔｉ ．。当 Ｅ １ ３６
性 ，发 光 光 强 指 向 特 性 、时 间 特 性 以及 热 学 特 性 。
天键 谢 ：Ｌ ＥＤ光学 Ｌ Ｄ热学 特 性 Ｅ
Ｉ
Ｅ 是利用化合物材料制成Ｐ 结的光电器件。 Ｄ ｎ
发光法向光 强及其角分布１ ０
发光强度 （ 向光强 ） 法 是表征发光
Ｉ 它 备 ｎ 结 器 电 特 Ｉ 特性 具 ｐ结 型 件的 学 性：— Ｖ 、
第六讲LED芯片结构和热ppt课件
➢ 到2006年，Philips Lumileds Lighting公司报道 了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的 LED（TFFC-LED）。
薄膜倒装结构的示意图以及工作状态下点亮后的显微图 20
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
(a)正装结构造成电流拥挤
(b)垂直结构电流分布均匀 16
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
垂直结构芯片技术-优势
➢ (2) 传统的正装结构采用蓝宝石衬底，由于蓝宝石衬 底不导电，所以需要刻蚀台面，牺牲了有源区的面积。 另外，由于蓝宝石衬底的导热性差（35Ｗ/(m•K)）， 还限制了LED芯片的散热；垂直结构LED采用键合与剥 离的方法将蓝宝石衬底去除，换成导电性好并且具有 高热导率的衬底，不仅不需要刻蚀台面，可充分的利 用有源区，而且可有效地散热。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
➢ （2）在外延片顶部的P型GaN：Mg层上淀积厚 度大于50nm的P电极反射层；
➢ （3）刻蚀掉部分P型外延层和多量子阱有源层， 露出n型层，然后在暴露的n型GaN层上沉积Al基 n接触，其中P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接 触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离， 把扩展电阻降至最小；
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
LED散热基础培训教程 PPT课件 共67页
在选择一个散热片时，设计者应当考虑一系列因素：
表面积 热传输只会发生在散热片的表面。所以，散热片在设计时应当拥有相对比较 大的表面积。使用许多优质翼片或增加散热片尺寸规格，都能够达到这个目的。
空气动力学特性 散热片的设计需要要能使空气很容易且很快速地流通。有许多个相 互间距小的优质散热翼片的散热片,可能不能使空气气流很好地流通。必须在高表面 积（许多个相互间距小的翼片）和良好空气动力学特性间进行权衡。
在LED焊接点和散热片间的热阻值Rth sp-h 取决于包括 表面抛光度、平整度、所施加的安装应力、接触面积以 及接口材料类型及其厚度在内的多种因素。 如果有好的 设计，那么它可以最低降至小于1°C/W。
能够计算得出从散热片到外部环境的最大热阻(Rth ha)。使用前面的等式，然后导出Rth h-a:
LED灯具热传递方式
热传递的三种基本方式为：传导、对流和辐射，热管理也 从这三方面入手，分为瞬态分析和稳态分析。散热器的主 要传递途径为传导和对流散热，自然对流下的辐射散热也 是不容忽视的。
一. 热学基本概念
1.1 热传导 在静态介质中存在温度差时，不论介质是固体还是液体，
介质中都会发生传热。此过程为热传导。热传导是因存在 温差而发生的能量的转移。
Tj = Ta + (Rth j-a x Pd)
在大多数情况下，高功率LED将被安装在金属核心印刷电 路板（PCB）上，该板会和一个散热片相连接。热量通过 传导方式从LED接合点流经PCB，到达散热片。散热片通 过对流方式将热量散发到外部环境中去。在大多数LED应 用中，与LED接合点和导热板之间，以及导热板到外界环 境之间相比，LED和PCB和/或散热片之间的接触热阻还是 相对较小的。
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热平衡最终管壳温度 JCPTHJ
TPfinalTPinitial PH
♣ LED结到管壳之间形成的
热阻。
PH
♣要求一个无穷大热沉和管壳
顶面相接触。
♣ 可以用内部嵌有热电偶的大
块无氧铜替代。
♣ 记录热沉的温度变化，达到
稳态时测试。
.
6
结－环境热阻 JA
♣ LED结到周围环 境形成的热阻。
♣测试时，器件放入 1立方英尺容器。
JX
KVF IH VH
K a K
b
18
测量校准方法
♣先使温度控制环境的初始温 度稳定在接近室温的低温 (Tlow)状态，测量正向电压 Vlow。
♣使温度增加到高温(Thigh), 稳定后测量Vhigh的数值。
K ThighTlow Vlow Vhigh
.
19
TCS-100 Temperature Calibration System
.
15
LED结温测量的电流电压波形
I M 选择至关重要。除取典 型值0.1,1.0,5.0,10.0毫 安外，可取伏安特性的 击穿点。
.
16
热阻测试波形
.
17
校准测量数据的冷却曲线
JX
KIHVVHF
K a K b .
被测器件撤除加热电流的 瞬间，结温立即下降，但 是电压测K量 a和K读数需要一 定时间,因此 b 所获得的测 量数据有误差。通常要作 出被测器件的冷却曲线从 而对测量数据进行修正。
定义在某一给定时刻的热阻为瞬态 热阻抗，瞬态热阻抗反映了传热体 的热惯性在热量传递的瞬变过程中 对热阻的改变。
.
5
结－管壳热阻
PT T P T JC
J H
PfiJnCaPlTHJ
PTPifinnailTtPiianitlial
PH
H
PH
芯片耗散功率
TPinitial
T Pfin a l
热平衡初始管壳温度
.
9
流动空气环境热阻 JMA
♣固定在标准的热试验板上的芯片/管 壳组合在流动空气环境形成的热阻。
♣管壳顶上加热沉。 ♣可应用于测量计算在空气速度已知
的强迫对流环境的结温。
.
10
WT-100 Wind Tunnel
♣测量流动空气(强迫对流)环境
芯片/管壳组合( JMA)和管
壳/热沉组合的热阻。 ♣空气从底部抽进从顶部排出。
自然对流(静止空气) 热参数测量腔
.
8
自然对流(静止空气)热测量腔
♣ 在标准化静止空气(对流)环境测量芯片/管壳( JA)
组合和管壳/热沉( JHS)组合的热阻օ
♣ 腔内尺寸为1 ft3,它与外部环境热隔离。通过前面 门可进入腔内部，提起插销后可打开门,插销放置 在腔外面。当完全闩栓住的时候，装在门上密封 材料被些微地压紧确保外部气流不进入腔内。 为 测定腔内环境温度,把一个热电偶安装在后腔壁上 的塑料管内。它通常装备一个T型热电偶和超小型 联接器。
T_ o A t_ r a R r J l B a L y ( 1 E ) _ R J D B L( N E ) _ R D J B
R R R
J B
J S
S B
T_ o A 1 t_ r a R r J l B a L y ( 1 E ) 1 _ R J D B L( N E ) 1 _ R D J T B o _A tar_ lR r a J B yLE _E D N m _R i tJ B t
LED热学参数测试研究
浙江大学光电系 鲍超
.
1
引言
LED器件的热学性能会直接影响到器件发光 效率、强度、光谱特性、工作稳定性和使 用寿命。因此对LED器件的热学参数进行 分析研究，采用标准化的方法进行测量， 满足检测中心和企业需要;同时为满足仲裁 测试、数据报告等组建公共测试平台, 开发 商业化的测量设备，这些都是半导体照明 工程中的一项关键性工作。
path）中各个单个热阻之和。
JA
JS
SB
BA
JS
为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻。
SB
为反射腔，环氧树脂到印刷板间的热阻。
BA
为印刷板和接触环境空气的热沉之间组JS 合的热阻
结温计算:
TJ TAP dJA
.
13
多元LED热阻
多元LED产品的热阻可
以采用并联热阻的模型
来确定. 1
1 1
♣测速仪数字显示0.5m/s—
5m/s空气速度。 ♣试验区截面:20.3x20.3cm2 。
♣ T型热电偶固定在试验区中心
边墙上。
.
11
LED热学模型
LED PN结内产生的热量从芯.片开始沿着下述热学通道传输： 12 PN结—反射腔—印刷板—空气（环境）
LED热学模型
总热阻可以表示为从结－环境这一热路（thermal
1
1
1
T_ o A t_ r a R r J l B a L T y ( o 1 ._ E ) A t_ a R r_ l R r a J J D BB yL E _ E D N m L _R i tJ B t( e N E r ) _ R D J 1 4B
C/mv
LED结温测量的电试验法
.
2
热阻基本概念
LED热学设计的目的在于预 言LED芯片的结温，所谓结 温是指LED芯片PN结的温 度。
热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率 之比
.
3
Thermal Resisitance & Thermal Impedance
.
4
瞬态和稳态热阻
半导体结与壳体或环境温度之间的 稳态条件需数秒或数分钟才能达到。 为提高效率,可以采用测量瞬态热阻 抗的方法。
♣仅对自然对流冷却 环境估算结温有用。
T T T JA
JAPJTHJ
TAfAinfailTnAainlitiaAl initial PH来自P P HJAH
T Ainitial
T Afinal
分位T别置Ainit表的ial 示热容平器衡内初一始个和限最定终 温度。
.
7
NC-100 Natural Convection Chamber
在和相系低 正 关 数正向系,单向电数位电压K: 即流增C温时量/度m，成v-线P-电N性结压相温敏关升感。♣♣♣开开开正关关关向置置置电121压,,,加快快VH电速速流加加I上电M,加流测热I得M,电正测流向量I电正H,测压向量VFi。
电压VFf。
♣ ΔVF=│ VFi-- VFf│ ΔTi =K·ΔVF TJ=TJi+ ΔTi 这里TJi是测量开始前LED结温 的初始温度。