朱簡約 李樂天 陳 乾

(1東南大學物理國家級實驗教學示范中心，江蘇 南京 211189; 2南京師范大學附屬中學江寧分校，江蘇 南京 211102; 3東南大學吳健雄學院，江蘇 南京 211189)

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物理實驗

大功率LED結(jié)溫與器件表面溫度關(guān)系的研究

朱簡約1,2李樂天1,3陳 乾1

(1東南大學物理國家級實驗教學示范中心，江蘇 南京 211189;2南京師范大學附屬中學江寧分校，江蘇 南京 211102;3東南大學吳健雄學院，江蘇 南京 211189)

本文利用東南大學自主研發(fā)的LED熱學特性實驗儀，通過脈沖電流法對常見的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度進行了測量，深入研究了LED燈在升溫和降溫過程中溫度的變化規(guī)律，并給出了結(jié)溫和表面溫度的定量關(guān)系。一方面，該工作對工程技術(shù)領(lǐng)域中的相關(guān)研究有一定的實際意義；另一方面，該課題實驗內(nèi)容能幫助學生理解與PN結(jié)和LED相關(guān)的物理概念和基本原理，使他們體會到物理與現(xiàn)代工程技術(shù)的密切聯(lián)系，從而激發(fā)學生對實驗物理的興趣。

發(fā)光二極管；PN結(jié)；結(jié)溫；表面溫度；脈沖電流法

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種對溫度依賴性較強的光源，其結(jié)溫的變化會引起發(fā)光效率的顯著變化和發(fā)光波長的漂移等現(xiàn)象[1]。特別是，近年來隨著LED功率的不斷提高, 如何控制大功率LED的結(jié)溫，對防止因溫度過高導致發(fā)光效率降低、器件壽命縮短等一系列問題，具有極為重要的現(xiàn)實意義[2,3]。因此，研究大功率LED的熱學特性和散熱是工程技術(shù)研究的熱點之一，而如何快速、準確地測量芯片結(jié)溫則是該研究方向面臨的首要問題[4-7]。由于LED芯片尺寸很小且被熒光粉和樹脂膠包裹密封，如圖1所示，其結(jié)溫無法直接測量。從容易測量的器件表面溫度入手，研究其和結(jié)溫變化存在的對應(yīng)關(guān)系，繼而間接得到結(jié)溫的變化規(guī)律是值得探究的課題。本文利用東南大學物理實驗中心設(shè)計開發(fā)的LED熱學特性研究與應(yīng)用實驗儀, 通過脈沖電流法對常見的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度間關(guān)系進行了測量，并分析討論了其對時間的變化規(guī)律。

圖1 實驗中所使用的LED基本結(jié)構(gòu)示意圖

1 實驗原理與方法

本實驗所使用LED燈珠的功率為1W，工作電壓約為3V，額定電流約為300mA。燈珠的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，LED芯片核心結(jié)構(gòu)是一個半導體的PN結(jié)，所謂LED的結(jié)溫指的就是PN結(jié)的溫度TJ。本文需要在準確測量結(jié)溫的前提下展開對結(jié)溫和器件表面溫度TB關(guān)系的研究，因此采用了一種較為新穎準確的脈沖法測量結(jié)溫，該方法于2008年由美國NIST實驗室提出[8]。其核心思想是通過脈沖電流來限制結(jié)溫TJ的持續(xù)上升，使之與器件表面溫度TB接近一致。當給待測LED燈通入一個幅值為額定值的脈沖電流時，芯片在通電狀態(tài)的脈沖內(nèi)正常發(fā)光并升溫，在斷開狀態(tài)的脈沖外則關(guān)閉并降溫。從整體效果來看，只要脈沖占空比足夠小，LED的芯片溫度能維持和表面溫度一致，如圖2(a)所示。只要在通電脈沖內(nèi)同步采樣電壓值，并借助溫控儀就能在脈沖電流下定標出芯片兩端的電壓—溫度曲線。由于在電流一定時，特定PN結(jié)的壓降僅和結(jié)溫有關(guān)，所以在有了LED的電壓—溫度曲線后，只需測量正常工作時LED兩端的電壓就可以得到其實際的結(jié)溫TJ。芯片散熱基板的表面溫度則采用貼片式PT1000作為傳感器進行測量TB，測量精度優(yōu)于0.1℃。作者分別在300mA的穩(wěn)流狀態(tài)和占空比為1∶1000的脈沖電流狀態(tài)下測量了LED燈開啟10min內(nèi)的表面溫度。如圖2(b)所示，在穩(wěn)流狀態(tài)下，由于芯片結(jié)溫的持續(xù)上升，熱流不斷從芯片傳遞到散熱片，引起表面溫度的上升；而在脈沖電流狀態(tài)下，散熱片表面溫度始終維持在實驗時的室溫(27.3℃)，說明在儀器測量精度范圍內(nèi)LED結(jié)溫沒有上升，與表面溫度保持一致。

2 實驗結(jié)果與討論

由于在占空比為1∶1000的脈沖電流(300mA)驅(qū)動模式下，LED所處環(huán)境溫度近似等于結(jié)溫，我們借助實驗儀的溫控裝置測得從室溫到120℃范圍內(nèi)LED結(jié)溫與兩端電壓的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可以看到，在室溫到120 ℃之間，結(jié)溫和壓降近似呈線性關(guān)系，這與PN結(jié)的溫度特性相符，可以作為結(jié)溫測量的定標曲線。

圖2 (a) LED在不同占空比的脈沖電流I下結(jié)溫TJ隨時間的變化示意圖； (b) 待測LED燈珠在脈沖電流和穩(wěn)流狀態(tài)下點亮時，器件表面溫度隨時間的變化曲線

圖3 LED結(jié)溫與兩端電壓的關(guān)系曲線

圖4 LED燈珠在穩(wěn)流狀態(tài)下點亮時，器件表面溫度、結(jié)溫和兩端電壓隨時間變化曲線

在室溫狀態(tài)下，利用直流電源開啟LED燈珠，并迅速記錄10min內(nèi)的表面溫度TB和電壓U的變化，再根據(jù)前面測量的結(jié)溫—電壓關(guān)系曲線便可計算對應(yīng)的結(jié)溫TJ，如圖4所示。當LED燈正常工作時，其芯片結(jié)溫會迅速升高并逐漸達到穩(wěn)定值，兩端的壓降則相應(yīng)降低。從圖中可以看到，本實驗中LED燈在10min后的結(jié)溫會穩(wěn)定在約85℃。正常工作狀態(tài)下，熱流不斷從芯片流向器件表面，利用Pt1000直接測量的表面溫度TB也有類似的變化趨勢，但溫度相應(yīng)要低一些，最后會穩(wěn)定在約75℃。由此可見，LED結(jié)溫和器件表面溫度是兩個不同的概念，但變化的趨勢有明顯的關(guān)聯(lián)性。

為了深入研究結(jié)溫與表面溫度間的關(guān)系，作者進一步測量了LED在一個升溫和降溫循環(huán)內(nèi)的TJ—TB關(guān)系曲線，如圖5所示。由于在脈沖電流下(占空比1∶1000)，LED芯片的發(fā)熱量可以忽略不計，因此可用于降溫過程中結(jié)溫的測量。從圖上可以看到：在升溫時，結(jié)溫始終大于表面溫度；而在降溫時，表面溫度卻會略高于結(jié)溫。這是由于LED燈的支架和散熱片等部件的體積和熱容量要比芯片大很多，當芯片自身不再發(fā)熱時，其溫度的下降速度就會大于其他部件，并反過來從外部吸收熱量，最終同時達到室溫。

圖5 LED燈升溫與降溫過程中結(jié)溫與表面溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)語

本文通過脈沖電流法對常見的大功率白光LED燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度進行了測量，深入研究了LED燈在升溫和降溫過程中結(jié)溫的變化規(guī)律，并給出了結(jié)溫和表面溫度的關(guān)系。該工作對工程技術(shù)領(lǐng)域中的LED結(jié)溫研究具有實際意義。另外，本項目是東南大學物理實驗中心開放實驗課題之一。這些課題源于基礎(chǔ)物理實驗課程并與工程技術(shù)或日常生活相關(guān)聯(lián)[9,10]，對于低年級本科生或者優(yōu)秀的高中生來說，難度適中又不乏科學性與趣味性，能有效地培養(yǎng)學生科學的思維方式和實驗探索能力。

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A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE JUNCTION TEMPERATURE AND SURFACE TEMPERATURE OF HIGH POWER LED

Zhu Jianyue1,2Li letian1,3Chen Qian1

(1National Demonstration Center for Experimental Physics Education, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189;2High School affiliated to Nanjing Normal University, Jiangning Campus, Nanjing Jiangsu 211102;3Chien-Shiung Wu College, Southeast University, Nanjing Jiangsu 211189)

In this paper, based on the experimental instrument of LED thermal characteristics developed independently by the southeast university, both the junction temperature and surface temperature of the common high-power white LED lamp beads were measured by the pulse current method to determine the quantitative relationship between the junction and surface temperature. This is accomplished by measuring the repeated heating and cooling process as the thermal change is measured over several thermal cycles. On the one hand, this work has certain practical significance to the related research in engineering technology field. On the other hand, the experimental content can help students to understand the physical concepts and basic principles relevant to PN junction and LED, and help them to feel the close relationship between physics and modern practical engineering technology, which stimulates students’ interest in experimental physics.

light-emitting diode(LED); PN junction; junction temperature; surface temperature; pulse current method

2017-01-09

江蘇省高等教育學會高校實驗室研究委員會資助項目(GS2015YB21); 教育部高等學校物理學類專業(yè)教學指導委員會資助項目(01-201601-35)。

陳乾,男,高級工程師,主要從事物理教學科研工作,研究方向為半導體納米器件，qc119@seu.edu.cn。

朱簡約,李樂天,陳乾. 大功率LED結(jié)溫與器件表面溫度關(guān)系的研究[J]. 物理與工程，2017，27(3)：18-21.