CN104748885A - 基于i-v特性曲线测量led结温的方法 - Google Patents

Abstract

基于I-V特性曲线测量LED结温的方法，涉及LED的结温测量。采用一种基于I-V特性曲线测量LED结温装置，该装置设有电流源、测试LED样品、控温热沉、以及控温仪器、计算机。测量饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j，并拟合I_s-T_j曲线图；测量LED的伏安特性曲线；利用MATLAB编程软件计算得到LED结温。只需简单的电压源、电流源测试反向饱和电流和正向I-V特性曲线即可得到LED结温，改善LED结温测试过程，避免正向电压法从加热的大电流切换到测试小电流的过程，且无需仪器能实现快速切换并及时采集数据的高难度测试，简化LED的结温测量方法。

Description

基于I-V特性曲线测量LED结温的方法

技术领域

本发明涉及LED的结温测量，尤其是涉及一种基于I-V特性曲线测量LED结温的方法。

背景技术

LED照明是21世纪最具发展前景的照明技术。LED因其具有亮度高、寿命长、体积小、安全环保等特点已经在显示、背光、照明等许多领域取代了传统光源[M.H.Crawford,“LEDs for solid-state lighting:Performance challenges and recent advances,”IEEEJ.Sel.Topics Quantum Electron.,2009.15(4)：1028–1040]。与传统光源不同的是，LED是一种半导体器件。它的热损耗机制严重依赖于热传导，而非辐射和对流。LED的基本结构是一个半导体的P-N结。当有电流流经LED器件时，P-N结有源区自由电子与空穴产生复合，并释放出光能和热能[E.F.Schubert,Light-Emitting Diodes.Cambridge,U.K:Cambridge Univ.Press,2006.]。当热量不断聚集，PN结结区的温度将会上升。狭义上说，把PN结结区的温度定义为LED的结温。但通常LED器件的芯片都比较小，所以便把LED芯片的温度视为LED的结温。实践证明，LED结温的改变会影响其光通量、出光效率、颜色、波长以及正向电压等光度、色度和电气参数，影响器件的寿命和可靠性[N.Narendran and Y.Gu,"Life of LED-Based White Light Sources"IEEE Journal of Display Technology,No1,pg 167-(sept 2005).]。然而，由于散热问题没有得到良好的解决，使得LED容易产生光衰，色衰等一系列问题，致使LED的性能大打折扣。对结温的研究涉及到LED光源的评价、热设计和寿命的预测，因此，对LED的结温进行快速而准确的测量就显得意义重大。

目前，常用的LED结温的测量方法包括：正向电压法、热阻法、峰值波长法、蓝白比法、红外摄像法、相对辐射度法和有限元计算法等。目前这些测试方法十分庞杂，没有统一的测试标准。有些方法需要一整套的测试系统，方法繁琐；有些方法需要一些高昂的测试仪器，价格不菲。其中，正向电压法是目前认为运用最为广泛、测试最为精确的测试方法。这里仅对正向电压法的优缺点进行论述，其余不予赘述。正向电压法是利用LED的PN结电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来测算结温[田大垒，关荣锋，王杏.大功率白光LED的结温测量[J].电子与封装，8(12):10-14]。具体做法是：测量LED在较小电流下(一般取10mA)正向电压和结温的线性关系(K系数)；当LED处于正常工作状态(大电流)达到热平衡状态时，将此时的大电流切换成小电流，以最快的速度测出此时LED两端的电压，根据电压的变化量和结温对应的K系数来计算出结温。正向电压法具有测量精度高，测试方法简单，瞬态响应好且非破坏性等优点。但要求测试系统能够瞬间从加热的大电流切换到测试的小电流，这个过程中容易引入噪声和阻尼振荡，而且要求切换时间越短越好。由于噪声和阻尼振荡的存在，即便是很小的切换时间间隔不一致都会对测量结果的准确性产生很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有的LED结温测试方法的标准不一以及存在的测量准确性问题，尤其是正向电压法电流切换过程中会引入噪声和阻尼振荡的问题，提供一种基于I-V特性曲线测量LED结温的方法。

本发吸采用一种基于I-V特性曲线测量LED结温装置，该装置设有电流源、测试LED样品、控温热沉、以及控温仪器、计算机。

本发明包括以下步骤：

1)测量饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j，并拟合I_s-T_j曲线图；

在步骤1)中，所述测量饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j，并拟合I_s-T_j曲线图的具体方法可为：将LED样品放置在控温热沉上，LED两端与电流源两端相接，控温热沉与控温仪器相接。用控温仪器设置热沉的温度，比如25℃，过5min当LED达到热平衡时，设置电流源输出反向电压(通常是-5V)，此时LED不发光不发热，LED结温即为热沉的温度，测试LED两端的反向电流I_s；调节控温仪器改变热沉的温度，重复上述测试过程，得到一系列不同结温下的反向饱和电流I_s；运用计算机origin数据处理软件拟合测试得到的饱和电流I_s和LED结温T_j，得到I_s-T_j曲线，拟合方程为：

$I_s=I_{s0}\left(T_{j0}\right)\·{\mathrm{\β}}_1\·\exp \left(\frac{-T_j}{{\mathrm{\β}}_2}\right)+{\mathrm{\β}}_3$

其中，I_s是反向电流，I_s0(T_j0)表示T_j0＝25℃时的反向电流，T_j即为LED结温，β₁、β₂、β₃为拟合系数。

2)测量LED的伏安特性曲线；

在步骤2)中，所述测量LED的伏安特性曲线的具体方法可为：将LED样品放置在控温热沉上，LED两端与电流源两端相接，控温热沉与控温仪器相接。用控温仪器设置热沉的温度，使热沉温度保持恒定，比如25℃；此时，通过电流源给LED样品提供正向电流I，采用四线测量方法测试正向电压V；实验中通常测试多个正向电流(比如1-500mA间隔1mA)下的正向电压V得到正向电流I和正向电压V的伏安特性曲线I-V(热沉温度T_sink1固定，T_sink1＝25℃)；然后改变热沉温度，比如35℃，重复同样的实验过程，得到另一组I-V特性曲线(热沉温度T_sink2固定，T_sink2＝35℃)。

3)利用MATLAB编程软件计算得到LED结温。

在步骤3)中，所述利用MATLAB编程软件计算得到LED结温的具体方法可为：在热沉温度为T_sink1下，根据方程： $I_1=I_{s1}\left(T_{j1}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_1}{\mathrm{nk}{T}_{j1}}\right)---\left(1\right)$

在热沉温度为T_sink2下，根据方程：

且有结温温差等于热沉温差：T_j2-T_j1＝T_sink2-T_sink1  (3)

其中I₁表示热沉温度T_sink1＝25℃下LED的正向电流，V₁表示热沉温度T_sink1＝25℃下LED的正向电压，T_sink1是关于T_j1的函数，可以根据步骤2)中的方程得到，q是单位电荷带电量，k为波尔兹曼常数，n表示理想因数，是未知，T_j1即为要求的在热沉温度T_sink1＝25℃下LED点亮时的结温；同理，I₂表示热沉温度T_sink2＝25℃下LED的正向电流，V₂表示热沉温度T_sink2＝25℃下LED的正向电压，I_s2(T_j2)是关于T_j2的函数，可以根据步骤2)中的方程得到，T_j2即为我们要求的在热沉温度T_sink2＝35℃下LED点亮时的结温；通过MATLAB编程计算，求得T_j1，T_j2和n。

本发明解决其技术问题所采用的技术原理是：

通常，LED的伏安特性满足Shockley方程，记为：

$I_0=I_s\·[\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{nk}{T}_j}\right)-1]$

其中，I₀为正向电流，I_s是饱和电流，q代表电子的电荷量，V表示LED两端的正向电压，n为理想因数，k是玻尔兹曼常数，T_j即LED的结温；通常在LED正常的工作状态下，呈指数变化，满足所以可将“-1”予以省略，方程可写成：

$I_0=I_s\·\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{nk}{T}_j}\right)$

当对LED施加的反向电压接近但不超过其击穿电压时，LED工作于反向饱和模式，此时的工作电流称为反向饱和电流。本发明将LED放置于热沉上，由控温仪器进行控温，并在LED两端通一反向电压，同时测试此时的反向饱和电流，然后调节控温仪器改变热沉的温度(即为结温)，可得到反向饱和电流和结温的关系。选取LED工作在反向电压为-5V时，此时，通过LED的电流极小(约为～nA数量级)，可以认为LED不产生焦耳热，故在这种情况下LED的结温就相当于热沉的温度。通过控温仪器控制热沉的温度变化，相应的反向饱和电流也会发生改变。通过电流测量仪器记录下不同LED结温(热沉温度)下相应的饱和电流，再对所采集的数据进行非线性拟合，可以得出I_s和T_j的相关关系。记为：

I_s＝I_s(T_j)

当LED工作于大电流的条件下时，LED因为外部电流源的供电而产生的热量不能忽略，因此LED的结温便不等同于热沉温度；此时，LED的结温、电流和两端电压依然满足Shockley方程，写成：

$I_0=I_s\left(T_j\right)\·\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{nk}{T}_j}\right)$

在保持流经LED的正向电流相同的情况下，改变热沉的温度(从T_sink1＝25℃变化到T_sink2＝35℃)，不同热沉温度下的LED电流I、电压V和结温T_j均满足Shockley方程。

在热沉温度为T_sink1下，有方程： $I_1=I_{s1}\left(T_{j1}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_1}{\mathrm{nk}{T}_{j1}}\right)---\left(1\right)$

在热沉温度为T_sink2下，有方程： $I_2=I_{s2}\left(T_{j2}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_2}{\mathrm{nk}{T}_{j2}}\right)---\left(2\right)$

在保持LED两端电流不变I₁＝I₂，只改变LED热沉温度的情况下，正向电压变化量很小(约为几mV)，所以在T_sink1和T_sink2控温情况下的LED热功率相等，而同一颗LED其芯片到结温的热阻也相等，所以T_j1-T_sink1＝T_j2-T_sink2，故有结温温差等于热沉温差：

T_j2-T_j1＝T_sink2-T_sink1  (3)

对于以上三个方程，其中q和k均为常数，电流I和电压V是可以通过实验测量得到的已知量，n、T_j1和T_j2为三个未知量，联立方程组(1)、(2)、(3)，便可以计算出LED在T_sink1下的结温T_j1和LED在T_sink2下的结温T_j2。所以，按照这种基于Shockley方程的LED结温测量方法，便可以分别测得不同热沉下LED的结温。

本发明的有益效果是：本发明只需要简单的电压源、电流源测试反向饱和电流和正向I-V特性曲线即可得到LED结温，改善了LED结温测试过程，避免了正向电压法从加热的大电流切换到测试小电流的过程，而且无需要求仪器能实现快速切换(通常为1μs)并及时采集数据的高难度测试，极大地简化了LED的结温测量方法。

附图说明

图1是本发明测量饱和电流I_s和LED结温T_j曲线的电路原理图。

图2是本发明测量的一组I_s-T_j曲线图。

图3是本发明测量LED伏安特性的电路原理图。

图4是本发明测量的伏安特性曲线图。

在图1和3中，各标记为：

1-电流源、电压源(KEITHLEY 2611 SYSTEM SOURCE)；

2-测试样品LED；

3-热沉；

4-控温仪器(KEITHLEY 2510 TEC SOURCE)；

5-计算机；

6-电流方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明的实现过程进行详细论述：

1、测量饱和电流I_s，得到I_s和未点亮的LED结温T_j的关系，并拟合出I_s-T_j曲线图。

根据图1的实验装置图连接好测量LED反向电流的实验装置。利用电流源1给被测试的LED样品2提供反向电压(通常为-5V)，测试反向电流I_s。使用控温仪器4将热沉3的温度分别控制在至少四个不同的温度点，实验中选择的温度点为25℃，35℃，45℃，55℃，65℃，75℃，每改变热沉温度后都要等待至少2min，使得LED样品达到热平衡时再测试反向电流I_s，此时LED不发光不发热，热沉温度即为未点亮的LED结温。通过计算机origin数据处理软件将所测得的饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j进行非线性拟合，得到I_s-T_j曲线，如图2所示。拟合方程为：

$I_s=I_{s0}\left(T_{j0}\right)\·{\mathrm{\β}}_1\·\exp \left(\frac{-T_j}{{\mathrm{\β}}_2}\right)+{\mathrm{\β}}_3$

其中，I_s0(T_j0)表示T_j0＝25℃时的反向电流，决定系数R²＝0.99，表明拟合度接近于1。因此，可以认为拟合出来的方程是十分合理的。表1给出6个样品的拟合系数：

表1

LED样品	β1	β2	β3	Is0(A)
					蓝光LED 1(B1)	-2.85×10-3	36.40	1.80	-1.01×10-9
蓝光LED 2(B2)	-5.51×10	95.07	3.37	-3.70×10-10
					蓝光LED 3(B3)	-5.05×102	61.71	5.10	-1.93×10-10
红光LED 1(R1)	1.13×10-3	-59.81	0.83	-5.90×10-9
					红光LED 2(R2)	8.06×10-4	-57.76	0.86	-6.54×10-10
红光LED 3(R3)	1.92×10-3	-58.60	0.69	-3.03×10-10

2、测量点亮情况时的LED电流电压特性曲线。

根据图3的实验装置图连接好测量LED样品I-V特性曲线的实验装置。使用控温仪器4控制热沉3的温度，一般选取与室温比较接近的温度，实验中选取25℃。此时通过电流源1给LED样品2提供正向电流I，等待至少3min当LED达到热平衡态时，采用四线测量方法测试正向电压V。改变电流I(通常选择1～500mA间隔1mA)测试得到一系列的I和V的实验数据，从而得到正向电流I和正向电压V的伏安特性曲线I-V(热沉温度保持在25℃)，如图4所示。接下来改变热沉3的温度，此时选取的温度与之前的温度相差在10℃左右最为适宜，实验中选取35℃，重复同样的实验过程，得到另一组I-V特性曲线(热沉温度保持在35℃)。

3、结合LED的电流电压曲线和I_s-T_j曲线的拟合方程，通过MATLAB编程软件计算出LED结温。

在热沉温度为T_sink1下，有方程： $I_1=I_{s1}\left(T_{j1}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_1}{\mathrm{nk}{T}_{j1}}\right)---\left(1\right)$

在热沉温度为T_sink2下，有方程： $I_2=I_{s2}\left(T_{j2}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_2}{\mathrm{nk}{T}_{j2}}\right)---\left(2\right)$

且有结温温差等于热沉温差：T_j2-T_j1＝T_sink2-T_sink1  (3)

结合：

$I_s=I_{s0}\left(T_{j0}\right)\·{\mathrm{\β}}_1\·\exp \left(\frac{-T_j}{{\mathrm{\β}}_2}\right)+{\mathrm{\β}}_3$

T_j2-T_j1＝35-25＝10

通过MATLAB软件进行编程计算，便可以求得25℃下的LED结温T_j1。

4、与Raman方法测量LED结温的数据进行对比，如表2所示，验证基于Shockley方程测量LED结温的新方法的准确性。

表2

注：B1：蓝光LED1，R1：红光LED1。

通过对比Raman方法测量LED结温的数据可知，“基于Shockley方程测量LED结温的新方法”测量出来的LED结温误差小于1％，这个微小的差异属于实验误差允许范围之内，佐证了本测量方法的可行性与准确性。

Claims (4)

1.基于I-V特性曲线测量LED结温的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j，并拟合I_s-T_j曲线图；

2)测量LED的伏安特性曲线；

3)利用MATLAB编程软件计算得到LED结温。

2.如权利要求1所述基于I-V特性曲线测量LED结温的方法，其特征在于在步骤1)中，所述测量饱和电流I_s和未点亮的LED结温T_j，并拟合I_s-T_j曲线图的具体方法为：将LED样品放置在控温热沉上，LED两端与电流源两端相接，控温热沉与控温仪器相接；用控温仪器设置热沉的温度，当LED达到热平衡时，设置电流源输出反向电压，此时LED不发光不发热，LED结温即为热沉的温度，测试LED两端的反向电流I_s；调节控温仪器改变热沉的温度，重复上述测试过程，得到一系列不同结温下的反向饱和电流I_s；运用计算机origin数据处理软件拟合测试得到的饱和电流I_s和LED结温T_j，得到I_s-T_j曲线，拟合方程为：

$I_s=I_{s0}\left(T_{j0}\right)\·{\mathrm{\β}}_1\·\exp \left(\frac{-T_j}{{\mathrm{\β}}_2}\right)+{\mathrm{\β}}_3$

其中，I_s是反向电流，I_s0(T_j0)表示T_j0＝25℃时的反向电流，T_j即为LED结温，β₁、β₂、β₃为拟合系数。

3.如权利要求1所述基于I-V特性曲线测量LED结温的方法，其特征在于在步骤2)中，所述测量LED的伏安特性曲线的具体方法为：将LED样品放置在控温热沉上，LED两端与电流源两端相接，控温热沉与控温仪器相接；用控温仪器设置热沉的温度，使热沉温度保持恒定；此时，通过电流源给LED样品提供正向电流I，采用四线测量方法测试正向电压V；实验中通常测试多个正向电流下的正向电压V得到正向电流I和正向电压V的伏安特性曲线I-V；然后改变热沉温度，重复同样的实验过程，得到另一组I-V特性曲线。

4.如权利要求1所述基于I-V特性曲线测量LED结温的方法，其特征在于在步骤3)中，所述利用MATLAB编程软件计算得到LED结温的具体方法为：在热沉温度为T_sink1下，根据方程：

$I_1=I_{s1}\left(T_{j1}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_1}{{\mathrm{nkT}}_{j1}}\right)---\left(1\right)$

在热沉温度为T_sink2下，根据方程： $I_2=I_{s2}\left(T_{j2}\right)\·\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_2}{{\mathrm{nkT}}_{j2}}\right)---\left(2\right)$

且有结温温差等于热沉温差：T_j2-T_j1＝T_sink2-T_sink1      (3)

其中I₁表示热沉温度T_sink1＝25℃下LED的正向电流，V₁表示热沉温度T_sink1＝25℃下LED的正向电压，I_s1(T_j1)是关于T_j1的函数，可以根据步骤2)中的方程得到,q是单位电荷带电量，k为波尔兹曼常数，n表示理想因数，是未知，T_j1即为要求的在热沉温度T_sink1＝25℃下LED点亮时的结温；同理，I₂表示热沉温度T_sink2＝25℃下LED的正向电流，V₂表示热沉温度T_sink2＝25℃下LED的正向电压，I_s2(T_j2)是关于T_j2的函数，可以根据步骤2)中的方程得到，T_j2即为要求的在热沉温度T_sink2＝35℃下LED点亮时的结温；通过MATLAB编程计算，求得T_j1，T_j2和n。