基于电阻温度系数的GaN基LED结温测量研究

谢华清，黎 阳，吴中林(. 上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 009；. 上海第二工业大学理学院，上海 009）

基于电阻温度系数的GaN基LED结温测量研究

谢华清1，黎 阳1，吴中林2
(1. 上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 201209；2. 上海第二工业大学理学院，上海 201209）

实验研究了不同驱动电流下GaN基LED的电阻与温度的关系，发现LED的电阻随工作温度的升高而减小，且两者成线性关系；通过线性拟合得到的电阻温度系数值在宽的驱动电流范围内维持稳定。利用这一特性，可以通过标定单个设定电流下的电阻温度系数，实现任意工作电流（该工作电流应处于电阻温度系数维持稳定的电流范围内）作用下LED结温的测试。

发光二极管；结温；氮化镓；电阻温度系数

0 引言

利用固体半导体芯片作为发光材料，通过电流的注入，发光二极管（Light Emitting Diode：LED）利用电子与空穴的复合将能量以光的形式释放出来。LED照明具有环境友好、节能以及寿命长等优点，因此被认为是21世纪照明技术的革命[1]。LED，尤其是高功率和高效能的LED可望广泛应用于平板显示背光、路灯、全色显示民用照明以及车灯等诸多领域。在工作状态下，通常LED由于自加热可引起结温（Junction temperature）的显著提高，故为确保LED能够长期高效地工作，通过热设计将结温控制在适当的范围内，成了LED应用的关键问题[2]。作为衡量一个LED器件使用性能优劣的重要参数，结温是LED器件工程应用中可靠性测量的核心要素，也是LED产品检测中的主要考察对象。因此，准确测量LED的结温具有重要的实际意义。

目前测量LED结温的方法主要有热电压法[3]、液晶阵列热成像法[4]、微拉曼谱法[5]、发光光谱法[6]等，然而这些方法仍存在诸多不足，如热电压法是通过标定LED工作电流下的电压随温度变化的关系，进而测量不同工作状态和散热条件下的结温，但如果工作电流发生改变，则又需要重新标定；液晶阵列热成像法、微拉曼谱法、发光光谱法等对测试仪器的精度要求高，所需的相关设备昂贵。

本研究通过实验发现，LED电阻温度系数在宽的驱动电流范围内维持稳定，并据此提出了一种基于电阻温度系数的LED结温测试方法，克服了现有测试方法的技术局限，从而使成本较低的普通测试装置即可简单高效地测得LED结温。

1 实验

本研究使用的LED为商用GaN基白光LED，其实物照片如图1示。采用四线法测量不同条件下LED电阻的变化情况，测试电路如图2所示：将数控恒流电源（Advantest R6243, Japan）、LED和标准电阻连接成闭合回路；标准电阻和LED两端分别连接有高精度数字万用表（Keithley 2002 Multimeter, USA）；恒流电源和万用表均连接至计算机。封装好的LED直接置于温度可控的恒温浴中；恒温浴的温度由粘接在LED上的热电偶测量；恒温浴的变温范围为−10 ℃ ～ 110 ℃，控温精度为± 0.1 ℃。设定恒温浴温度，计算机控制恒流电源通入设定电流，并通过万用表实时采集标准电阻上的电压SV和LED上的电压LV；根据串联电路特征，计算LED电阻LR, 即

图1 实验用LED实物照片Fig. 1 Picture of the LED sample used in the experiments

图2 测试电路示意图Fig. 2 Schematic of the measurement circuit

2 结果与讨论

维持恒温浴温度，通过计算机控制恒流电源通入设定电流，并通过万用表实时采集标准电阻上的电压SV和LED上的电压LV, 可获得同一温度条件下通以不同电流时的电阻。改变恒温浴的设定温度，通以相同的电流，可获得同一电流条件下电阻和温度的关系。分析测量结果发现，在同一工作电流作用下，电阻和温度成很好的线性关系。而实际的二极管可以看作由一个理想二极管与等效电阻串联而成，串联电阻引起的压降不能忽略，电流与电压的关系可近似写为[7]

其中I0是反向饱和电流，VF、IF分别是输入电压和输入电流，q为电子电荷，Rc是等效串联电阻，n为理论因子，k为玻耳兹曼常数。

上式也可表示成输入电压形式，即[8]

其中，nkT/q = 0.025 69 V。在恒定电流FI驱动时，温度升高对电压的影响主要由式（3）右边的第一项决定，内阻变化产生的电压变化可以忽略。在第一项中，反向饱和电流随温度升高增加的速度很快，是导致正向压降随温度升高而降低的主要原因。另外，反向饱和电流I0不仅与温度有关，而且还和能带宽度有关，具体可表示为

式中C是器件参数，与器件类型、掺杂浓度、几何尺寸以及构成器件的材料等有关，E(T)为温度T时的能带宽度。由于用于制造LED的半导体材料的能带宽度表现出很强的温度依赖特性，一般随着温度的升高，能带宽度呈现出单调下降的趋势。如果采用一级近似，能带宽度可表示为

其中α为带负号的温度系数。式（3）可以改写成

如果把式（7）左边项看成LED随温度变化的电阻RL,T，则在恒定电流驱动下，RL,T将和温度成线性关系。图3示例性表示了200 mA，260 mA和320 mA三个工作电流下电阻和温度的关系。图中结果表明，LED的电阻和工作电流密切相关，随工作电流的增大而减小；而在同一工作电流下，LED的电阻和温度成很好的线性关系。我们还测试了其他工作电流（2 mA，5 mA，10 mA，20 mA，35 mA，50 mA，70 mA，90 mA，115 mA，140 mA，170 mA，230 mA，290 mA，350 mA）下LED的电阻和温度的关系，也得到了类似的结果（未附图）。可对不同温度下所测得的电阻按如下关系式进行线性拟合

其中L,TR和L,0R分别指温度为T和0 ℃时的LED电阻，β为LED的电阻温度系数绝对值，T为温度。通过对不同工作电流下获得的电阻和温度的关系进行拟合计算，得到不同工作电流下的L,0R和β。

图3 不同电流下电阻和温度的关系示意图Fig. 3 Dependence of the resistance on the temperature at different testing currents

图4 给出了不同工作电流下的RL,0。由图可见，随工作电流的增加，0 ℃时LED的电阻减小。有意思的是两者成指数关系。如果对lnRL,0和lnI作图发现，lnRL,0和lnI成很好的线性关系，其拟合关系式为

图4 0 ℃下电阻和通入电流的关系Fig. 4 Dependence of the resistance on the working current at 0 ℃

如果对式（7）进行整理会发现，与RL,0对应的项是∝(A+Bln IF)，因此拟合式中出现的指数为 −0.944，接近于−1是合理的。

不同电流下所测得的电阻温度系数β如图5所示：

图5 不同电流下所测得的电阻温度系数βFig. 5 Measured resistance-temperature coefficient β at different currents

结果表明，当通入电流较小时，β随通入电流I的增加而增加，当I达到115 mA后进一步增大, β则维持稳定。在该稳定范围内，β在±2.3 %内波动。β的平均值为8.99×10−4。利用依据下式可以测试LED的结温

图6给出的是实验用LED温升随驱动电流施加时间的变化情况。实验设定在室温条件（25 ℃）下进行，驱动电流均为320 mA。研究中考察了两种环境条件，一种是在空气（air）中测试，LED工作时产生的热量通过基座和周围空气发生传热；另一种是把LED浸没在乙二醇（EG）中进行测试，LED工作时产生的热量通过基座和周围EG发生传热。从图6可以看出，在施加驱动电流初始的3 ～ 4 s内，LED温度很快升高了6 ～ 7 ℃。值得注意的是，在这段时间内，温升和环境条件关系不大，LED工作在空气中和在EG中的温升曲线几乎重合。而在5 s之后，LED工作在空气中的温升开始高于在EG中的情况，而且随着工作时间的延续，二者的差别越来越明显。产生这种现象的主要原因在于：初始工作阶段，LED产生的热量主要被半导体本身和临近的基片所吸收，产生温度升高，基片和周围环境的对流换热的影响不明显；随着工作时间的延续，基片表面温度升高，基片和周围环境的对流换热影响开始显现，EG和基片之间的自然对流传热要明显强于空气和基片之间的自然对流传热，使得在浸没在EG中的基片的热量较快地被周围的液体带走，从而温升较低，而空气中的自然对流较弱，相应的温升就越大。在我们的实验时间内，后期（6 ～ 20 s）在空气中工作的LED的温升随时间几乎成线性增加，在第20 s时已超过14 ℃；而在EG中工作的LED的温升在第20 s时还不到10 ℃。

图6 LED温升随驱动电流施加时间的变化Fig. 6 Variation of the LED temperature increase with the working time

3 结论

对GaN基白光LED工作特性研究表明，随着工作温度的升高，电阻减小。在同样驱动电流作用下，电阻和温度成很好的线性关系。本工作通过线性拟合得到了在确定驱动电流下的电阻温度系数。实验所研究的LED的电阻温度系数随着驱动电流的增加首先表现出增大的趋势，但其增大的速率逐渐减小；当达到一定驱动电流值（115 mA）时，进一步增大驱动电流，电阻温度系数保持基本不变。因此，根据该实验发现，通过标定单个设定电流下的电阻温度系数，可以实现任意工作电流（该工作电流应处于电阻温度系数维持稳定的电流范围内）作用下LED结温的测试。采用本文提出的测试LED结温的方法进行测试的优点在于：（1）单次标定，即在宽的工作电流范围内，仅需任意选取某个（或某几个）电流标定出电阻温度系数；（2）操作简单易行，可采用类似于常规电阻温度传感器的操作过程；（3）仅需常规的电测试装置。

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Abstract:The relationship between the resistance and the temperature of a GaN based light emitting diode (LED) has been investigated under different driving current. It was found that the resistance decreased proportionally with an increase in the temperature. The resistance-temperature coefficient has been obtained by linearly fitting resistance and temperature. The coefficient values keep almost constantly in a wide driving current range. Using this characteristic, the junction temperatures of LED under any working current (within the current range in which the coefficient values almost constantly) can be detected by determining the resistance-temperature coefficient under a specific current.

Study on the Junction Temperature Measurement of GaN Based LED Using Resistance Temperature Coefficient

XIE Hua-qing1, LI Yang1, WU Zhong-lin2
(1. School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. School of Science, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China)

light emitting diode; junction temperature; GaN; resistance temperature coefficient

O482.31

A

1001-4543(2012)01-0001-06

2011-12-22;

2012-02-06

谢华清（1970－），男，福建古田人，教授，博士，主要研究方向为环境能源材料，电子邮箱hqxie@eed.sspu.cn。

上海高校特聘教授（东方学者）岗位支持计划