何潛翔 黃建宇 陳 乾

(東南大學 1物理國家級實驗教學示范中心； 2吳健雄學院；3物理學院，江蘇 南京 211189)

隨著科學技術的不斷發(fā)展，發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)逐漸由原來的小功率指示燈光源發(fā)展到大功率照明光源[1]。近年來，功率型白光LED更是以其節(jié)能環(huán)保、響應速度快、體積小等優(yōu)勢，在絕大多數(shù)燈具中取代了傳統(tǒng)的照明光源，進入了人們的日常生活[2]。然而，隨著功率的提高，LED的核心結構中PN結的溫度會相應升高，繼而影響LED的電學和光學性能。一般地，結溫上升會導致PN結內(nèi)電子空穴有效復合率的下降和帶隙的減小，對外表現(xiàn)為LED發(fā)光效率降低和波長漂移等問題[3]。因此，研究功率型LED的結溫對光電特性的影響是該領域的研究熱點之一。顯然，如何準確地測量被密封包裹的芯片結溫是該研究需要解決的首要問題[4-8]。在這一背景下，東南大學物理實驗中心設計了LED熱學特性研究實驗儀，并將其用于大學物理實驗課程的教學[9]。由于實驗內(nèi)容既關聯(lián)了照明工程領域的實際問題，又涉及了物理學中的半導體能帶理論，而且還和同學們的日常生活緊密相關，因此該實驗項目的選課率高，取得了很好的教學效果。

本文介紹了在實際教學過程中，筆者基于上述實驗儀器進一步拓展的課題實驗內(nèi)容。如圖1所示，通過調(diào)整電路和添加實驗裝置，我們將原來單一的基于脈沖法測量結溫的驗證性實驗改造成了一個可以通過脈沖法、小電流法和光譜法來測量同一LED燈珠結溫的綜合性課題實驗項目。學生不僅可以通過該實驗了解多種不同的結溫測量方法，比較電學參量法和非接觸式測量法的優(yōu)缺點，而且還能學習改造實驗電路、采集和分析光譜等基本實驗技能。

圖1 實驗裝置實物圖

1 脈沖電流法

在恒定直流驅動的正常工作狀態(tài)下，LED芯片的發(fā)熱會造成結溫TJ高于可測量的表面溫度，無法直接獲得[5]。借助PN正向壓降和結溫存在的單調(diào)對應關系，通過測量工作狀態(tài)下LED兩端的電壓可間接獲得結溫，主要步驟如圖2(a)所示。具體測量時，首先需要得到結溫和電壓的對應關系。脈沖電流法的核心思想是利用在較小占空比的脈沖直流驅動下，LED芯片溫度無法升高且近似等于溫控室溫度這一條件(見圖2(b))，配合測試臺溫控裝置來得到額定電流下LED兩端的壓降與結溫的關系曲線。本實驗所使用的LED燈珠的額定工作電流為直流300mA，圖2(c)為在該脈沖直流下測量得到的LED兩端壓降與結溫(近似等于溫控室溫度)的關系曲線。

圖2(a) 脈沖電流法測LED結溫的流程圖; (b) 結溫控制原理示意圖； (c) 脈沖電流模式下，待測LED燈珠正向壓降與結溫的關系； (d) 基于脈沖電流法和小電流法測得的LED燈珠在點亮和熄滅后結溫隨時間的變化曲線

在獲得上述曲線的基礎上，筆者測量了待測LED燈珠用300mA恒定直流點亮(即正常工作狀態(tài))后結溫隨時間的變化關系，如圖2(d)方形數(shù)據(jù)點所示。從圖中可以看到LED正常點亮時，結溫會在短時間迅速上升，并在五分鐘左右趨于穩(wěn)定。當斷開穩(wěn)定工作狀態(tài)下LED的電源時，結溫則會迅速下降并恢復到環(huán)境溫度，如圖2(d)圓形數(shù)據(jù)點所示。

2 小電流法

小電流法和脈沖電流法一樣，都是借助PN結正向壓降和結溫存在的單調(diào)對應關系，通過測量工作狀態(tài)下LED兩端的電壓來間接獲得結溫的。因此，這兩種方法都被稱為正向電壓法。但和脈沖法不同的是，小電流法利用了LED在微小電流驅動時芯片發(fā)熱可以忽略這一事實。如圖3(a)的流程圖所示，小電流法可大致分為兩個步驟：首先，在小電流驅動下，配合溫控裝置得到不同溫度下LED結溫和壓降的關系；然后，在額定電流下使LED正常工作并達到穩(wěn)定，之后迅速將驅動電流轉換成之前的小電流并同步記錄正向壓降，進而通過上一步的結溫和電壓關系計算結溫。

圖3(a) 小電流法測結溫的流程圖; (b) 電路示意圖； (c) 不同小電流下，待測LED燈珠正向壓降與結溫的關系; (d) 不同小電流下的K系數(shù)

由于實驗時需要在300mA和3mA左右的恒定直流源間快速轉換，所以在進行該實驗時需要對原有實驗儀器作改動：在原有LED電學測試儀之外增加如圖3(b)所示的小電流(Is)恒流電路，并用一單刀雙擲開關將兩電路相連?；谏鲜鰧嶒炑b置測得不同小電流下LED正向壓降與結溫(近似等于溫控室溫度)的關系如圖3(c)所示。對比脈沖法中用額定電流300mA獲得的U-T曲線，可以看到在小電流下的曲線近似為線性關系，這是由于二極管正向電壓與溫度關系式中的非線性項和工作電流正相關造成的。在電流很小的情況下，非線性項的貢獻非常小，因此兩者存在近似線性關系，可引入系數(shù)K表示其斜率，即：

(1)

如圖3(d)所示，不同小電流下的K系數(shù)不同，隨著工作電流的增加會逐漸變大。上述關于二極管的物理原理可引導感興趣的學生閱讀黃昆先生原著的《固體物理學》中PN結部分內(nèi)容[10]。

在獲得K系數(shù)后，用300mA額定直流點亮LED燈珠，待其達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后迅速切換到小電流驅動模式并測得正向壓降U，結合小電流驅動下室溫時的結溫TJ0和壓降U0，根據(jù)式(2)可計算得到LED結溫。

TJ=TJ0+K(U-U0)

(2)

圖2(d)中三角形數(shù)據(jù)點為利用小電流法測量的同一個LED燈珠在降溫時的結溫變化，和脈沖法測量的結果符合得很好，說明了兩種方法測量結溫的準確性。需要指出的是，由于小電流法測量時需要轉換電流驅動源，因此額定電流驅動下LED在升溫過程中的結溫無法動態(tài)測量。

3 光譜法

除了上述的電學參數(shù)法，借助如圖1中所示的小型光纖光譜儀，該實驗還能讓學生進一步探究光譜法測量LED結溫的基本思路。通過改變溫控室溫度，逐次測量LED正常工作時(300mA恒定直流驅動)的光譜如圖4所示。從圖中可以看到：(1)LED的光譜明顯的分成兩個峰，左側藍峰是由LED核心結構PN結發(fā)出的光譜，右側黃峰則是熒光粉受激發(fā)出的光譜；(2)隨著結溫的升高，光譜強度相應下降；(3)光譜中藍峰對應的波長隨著結溫的升高發(fā)生紅移。當定量的給出藍峰的峰值波長λ和結溫TJ的關系時，可以看到兩者存在近似線性的單調(diào)關系(如圖4)。因此，若提供某一種類LED的TJ～λ關系曲線，便可通過測量光譜來得到這類LED的實時結溫。由于正向電壓法需要在LED兩端引腳接入引線來測量電壓，這對于封裝好的燈具來說很難操作，因此光譜法等非接觸式的測溫方法更為簡單方便。但是，影響光譜的因素比較復雜，再加上光譜測量對光譜儀精度的依賴性，所以光譜法測量結溫的誤差一般高于電壓法。

圖4 待測LED燈珠在不同結溫時的光譜和藍峰波長的分布圖

4 結語

本文介紹了東南大學物理實驗中心圍繞LED結溫測量這一工程熱點設計的課題型物理實驗項目。通過改造實驗電路和添加實驗裝置，項目在原有脈沖法測量儀器的基礎上，拓展了小電流法和光譜法測量結溫的課題實驗內(nèi)容，并獲得了準確的實驗結果。學生通過該實驗可以鍛煉設計改造電路和采集分析光譜的基本實驗技能，了解照明工程中常用的LED結溫測量方法，并比較電學參量法和非接觸測量法的優(yōu)缺點。