中心議題：

• 溫度升高對LED各光電參數及可靠性的影響

led(Light Emitting Diode：發光二極管)作為第四代光源，因其節能
、環保、長壽命等優點極具發展前景。但因為LED對溫度極為敏感

，結溫升高會影響LED的壽命、光效、光色(波長)、色溫
、光形(配光)以及正向電壓、最大注入電流、光度、色度
、電氣參數以及可靠性等。本文詳細分析了溫度升高對LED各光電參數及可靠性的影響

，以利於LED芯片和LED照明產品的設計開發。

一、溫度過高會對LED造成永久性破壞

(1)LED工作溫度超過芯片的承載溫度將會使LED的發光效率快速降低，產生明顯的光衰
，並造成損壞;

(2)LED多以透明環氧樹脂封裝
，若結溫超過固相轉變溫度(通常為125℃)，封裝材料會向橡膠狀轉變並且熱膨脹係數驟升，從而導致LED開路和失效。

二、溫度升高會縮短LED的壽命

LED的壽命表現為它的光衰，也就是時間長了，亮度就越來越低，直到最後熄滅。通常定義LED光通量衰減30%的時間為其壽命。

通常造成LED光衰的原因有以下幾方麵：

(1)LED芯片材料內存在的缺陷在較高溫度時會快速增殖、繁衍，直至侵入發光區
，形成大量的非輻射複合中心，嚴重降低LED的發光效率。另外

，在高溫條件下
，材料內的微缺陷及來自界麵與電板的快擴雜質也會引入發光區，形成大量的深能級

，同樣會加速LED器件的光衰。
(2)高溫時透明環氧樹脂會變性、發黃，影響其透光性能，工作溫度越高這種過程將進行得越快，這是LED光衰的又一個主要原因。
(3)熒光粉的光衰也是影響LED光衰的一個主要原因，因為熒光粉在高溫下的衰減十分嚴重。

所以，高溫是造成LED光衰，縮短LED壽命的主要根源。

不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED廠家會給出一套標準的光衰曲線。例如Philips Lumiled公司的Luxeon K2的光衰曲線如圖1所示
，當結溫從115℃提高到135℃，其壽命就會從50，000小時縮短到20
，000小時。
 

圖1 Lumiled Luxeon K2的光衰曲線

高溫導致的LED光通量衰減是不可恢複的，LED沒有發生不可恢複的光衰減前的光通量
，稱為LED的“初始光通量”。

三、溫度升高會降低LED的發光效率

溫度影響LED光效的原因包括以下幾個方麵：
(1)溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小。
(2)溫度升高，勢阱中電子與空穴的輻射複合幾率降低，造成非輻射複合(產生熱量)，從而降低LED的內量子效率。
(3)溫度升高導致芯片的藍光波峰向長波方向偏移


，使芯片的發射波長和熒光粉的激發波長不匹配
，也會造成白光LED 外部光提取效率的降低。
(4)隨著溫度上升
，熒光粉量子效率降低


，出光減少
，LED 的外部光提取效率降低。
(5)矽膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高
，矽膠內部的熱應力加大
，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效。

一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，光(guang)通(tong)量(liang)隨(sui)結(jie)溫(wen)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)減(jian)小(xiao)的(de)效(xiao)應(ying)是(shi)可(ke)逆(ni)的(de)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)當(dang)溫(wen)度(du)回(hui)複(fu)到(dao)初(chu)始(shi)溫(wen)度(du)時(shi)
，光(guang)輸(shu)出(chu)通(tong)量(liang)會(hui)有(you)一(yi)個(ge)恢(hui)複(fu)性(xing)的(de)增(zeng)長(chang)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)材(cai)料(liao)的(de)一(yi)些(xie)相(xiang)關(guan)參(can)數(shu)會(hui)隨(sui)溫(wen)度(du)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)

，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)LED器件參數的變化，影響LED的光輸出。當溫度恢複至初態時
，LED器件參數的變化隨之消失
，LED光輸出也會恢複至初態值。對此
，LED的光通量值有“冷流明”和“熱流明”之 分
，分別表示LED結點在室溫和某一溫度下時LED的光輸出。

一般
，LED光通量與結溫的關係可以用式(1)表示:

      (1)

其中，表示結溫T1時的光通量(lm);表示結溫T2時的光通量(lm);K為溫度係數(1/℃);為LED結溫的差值，即。

一般情況下， 值可由實驗測定。例如對於InGaAlP基LED相關的值如表1所示

表1 不同材質類別LED的溫度係數[page]
 

圖2 不同k值LED的光輸出(百分比)隨結溫的變化關係

由圖2可以看出：LED光效溫度係數k最好在2.0×10-3以下
，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會很大。例如
，InGaN類LED的 k值約為1.2×10-3
，結溫125℃時光輸出相對結溫25℃時降低約11%。

目前，使用最多的GaN基白光LED的溫度係數大多在2.0×10-3～4.0×10-3之間，有的甚至達到了5.0×10-3。k值偏大的LED，更要注意控製結溫。

四、溫度對LED發光波長(光色)的影響

LED的發光波長一般可分成峰值波長與主波長。峰值波長即光強最大的波長
，而主波長可由X、Y色度坐標決定
，反映了人眼所感知的顏色。顯然
，結溫所引致的LED發光波長的變化將直接造成人眼對LED發光顏色的不同感受。對於一個LED器qi件jian，發fa光guang區qu材cai料liao的de禁jin帶dai寬kuan度du值zhi直zhi接jie決jue定ding了le器qi件jian發fa光guang的de波bo長chang或huo顏yan色se。溫wen度du升sheng高gao，材cai料liao的de禁jin帶dai寬kuan度du將jiang減jian小xiao，導dao致zhi器qi件jian發fa光guang波bo長chang變bian長chang，顏yan色se發fa生sheng紅hong移yi。

通常可將波長隨結溫的變化表示為式(2)：

其中:表示結溫T1時的波長(nm);表示結溫T2時的波長(nm);K表示波長隨溫度變化的係數，一般在0.1～0.3nm/K之間;。

五、溫度對LED正向電壓的影響

正向電壓是判定LED性能的一個重要參量，其大小取決於半導體材料的特性
、芯片尺寸以及器件的成結與電極製作工藝。相對於20mA的正向電流通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8～2.2V之間
，InGaN LED的正向電壓處在3.0～3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降可由式(3)表示：

　　(3)

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P/N結完美性的一個參量，處在1～2之間。式(3)的右邊隻有反向飽和電流I0與溫度密切相關，I0值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓Vf值的下降。實驗指出，在輸入電流恒定的情況下
，對於一個確定的LED器件
，兩端的正向壓降與溫度的關係可由式(4)表示：

(4)

式(4)中，與分別表示結溫為T2與T1時的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的係數，一般在-1.5～-2.5mV/K 之間;。

當電流固定時，溫度升高

，LED正向電壓會下降。由於正向電壓與溫度的關係接近線性，所以大多LED熱阻測試儀器利用LED的這一特性測量其熱阻或結溫。

六、溫度過高會限製LED的最大注入電流

溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導致最大注入電流減小。
 

圖3 Cree 3WXLampXP-E最大注入電流與結溫的關係
 

另外，溫度還會影響LED的配光曲線、色溫及顯色性。 

溫度影響透光材料折射率

，會改變LED出光光線的空間分布，即配光曲線。 

溫度過高
，藍光波峰長移

，熒光粉波峰變平坦而劣化，會導致LED色溫偏高
、顯色性變差。

七、總結 

大功率LED因發熱量大，導致其工作溫度偏高
，性能急劇下降。隻有深入了解LED的溫度特性，開發低熱阻的LED芯片及LED應用產品
，才能真正體現LED的優越性。