何潛翔 黃建宇 陳 乾

(東南大學(xué) 1物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心； 2吳健雄學(xué)院；3物理學(xué)院，江蘇 南京 211189)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)逐漸由原來(lái)的小功率指示燈光源發(fā)展到大功率照明光源[1]。近年來(lái)，功率型白光LED更是以其節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)勢(shì)，在絕大多數(shù)燈具中取代了傳統(tǒng)的照明光源，進(jìn)入了人們的日常生活[2]。然而，隨著功率的提高，LED的核心結(jié)構(gòu)中PN結(jié)的溫度會(huì)相應(yīng)升高，繼而影響LED的電學(xué)和光學(xué)性能。一般地，結(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)電子空穴有效復(fù)合率的下降和帶隙的減小，對(duì)外表現(xiàn)為L(zhǎng)ED發(fā)光效率降低和波長(zhǎng)漂移等問(wèn)題[3]。因此，研究功率型LED的結(jié)溫對(duì)光電特性的影響是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。顯然，如何準(zhǔn)確地測(cè)量被密封包裹的芯片結(jié)溫是該研究需要解決的首要問(wèn)題[4-8]。在這一背景下，東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心設(shè)計(jì)了LED熱學(xué)特性研究實(shí)驗(yàn)儀，并將其用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)[9]。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既關(guān)聯(lián)了照明工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，又涉及了物理學(xué)中的半導(dǎo)體能帶理論，而且還和同學(xué)們的日常生活緊密相關(guān)，因此該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選課率高，取得了很好的教學(xué)效果。

本文介紹了在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者基于上述實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)一步拓展的課題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如圖1所示，通過(guò)調(diào)整電路和添加實(shí)驗(yàn)裝置，我們將原來(lái)單一的基于脈沖法測(cè)量結(jié)溫的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改造成了一個(gè)可以通過(guò)脈沖法、小電流法和光譜法來(lái)測(cè)量同一LED燈珠結(jié)溫的綜合性課題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生不僅可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解多種不同的結(jié)溫測(cè)量方法，比較電學(xué)參量法和非接觸式測(cè)量法的優(yōu)缺點(diǎn)，而且還能學(xué)習(xí)改造實(shí)驗(yàn)電路、采集和分析光譜等基本實(shí)驗(yàn)技能。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1 脈沖電流法

在恒定直流驅(qū)動(dòng)的正常工作狀態(tài)下，LED芯片的發(fā)熱會(huì)造成結(jié)溫TJ高于可測(cè)量的表面溫度，無(wú)法直接獲得[5]。借助PN正向壓降和結(jié)溫存在的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量工作狀態(tài)下LED兩端的電壓可間接獲得結(jié)溫，主要步驟如圖2(a)所示。具體測(cè)量時(shí)，首先需要得到結(jié)溫和電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)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(qū)動(dòng)下，LED芯片溫度無(wú)法升高且近似等于溫控室溫度這一條件(見(jiàn)圖2(b))，配合測(cè)試臺(tái)溫控裝置來(lái)得到額定電流下LED兩端的壓降與結(jié)溫的關(guān)系曲線。本實(shí)驗(yàn)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(cè)量得到的LED兩端壓降與結(jié)溫(近似等于溫控室溫度)的關(guān)系曲線。

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

在獲得上述曲線的基礎(chǔ)上，筆者測(cè)量了待測(cè)LED燈珠用300mA恒定直流點(diǎn)亮(即正常工作狀態(tài))后結(jié)溫隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖2(d)方形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。從圖中可以看到LED正常點(diǎn)亮?xí)r，結(jié)溫會(huì)在短時(shí)間迅速上升，并在五分鐘左右趨于穩(wěn)定。當(dāng)斷開(kāi)穩(wěn)定工作狀態(tài)下LED的電源時(shí)，結(jié)溫則會(huì)迅速下降并恢復(fù)到環(huán)境溫度，如圖2(d)圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jié)正向壓降和結(jié)溫存在的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量工作狀態(tài)下LED兩端的電壓來(lái)間接獲得結(jié)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(qū)動(dòng)時(shí)芯片發(fā)熱可以忽略這一事實(shí)。如圖3(a)的流程圖所示，小電流法可大致分為兩個(gè)步驟：首先，在小電流驅(qū)動(dòng)下，配合溫控裝置得到不同溫度下LED結(jié)溫和壓降的關(guān)系；然后，在額定電流下使LED正常工作并達(dá)到穩(wěn)定，之后迅速將驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)換成之前的小電流并同步記錄正向壓降，進(jìn)而通過(guò)上一步的結(jié)溫和電壓關(guān)系計(jì)算結(jié)溫。

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

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在300mA和3mA左右的恒定直流源間快速轉(zhuǎn)換，所以在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)原有實(shí)驗(yàn)儀器作改動(dòng)：在原有LED電學(xué)測(cè)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(kāi)關(guān)將兩電路相連?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)裝置測(cè)得不同小電流下LED正向壓降與結(jié)溫(近似等于溫控室溫度)的關(guān)系如圖3(c)所示。對(duì)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(guān)系，這是由于二極管正向電壓與溫度關(guān)系式中的非線性項(xiàng)和工作電流正相關(guān)造成的。在電流很小的情況下，非線性項(xiàng)的貢獻(xiàn)非常小，因此兩者存在近似線性關(guān)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(huì)逐漸變大。上述關(guān)于二極管的物理原理可引導(dǎo)感興趣的學(xué)生閱讀黃昆先生原著的《固體物理學(xué)》中PN結(jié)部分內(nèi)容[10]。

在獲得K系數(shù)后，用300mA額定直流點(diǎn)亮LED燈珠，待其達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后迅速切換到小電流驅(qū)動(dòng)模式并測(cè)得正向壓降U，結(jié)合小電流驅(qū)動(dòng)下室溫時(shí)的結(jié)溫TJ0和壓降U0，根據(jù)式(2)可計(jì)算得到LED結(jié)溫。

TJ=TJ0+K(U-U0)

(2)

圖2(d)中三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)為利用小電流法測(cè)量的同一個(gè)LED燈珠在降溫時(shí)的結(jié)溫變化，和脈沖法測(cè)量的結(jié)果符合得很好，說(shuō)明了兩種方法測(cè)量結(jié)溫的準(zhǔn)確性。需要指出的是，由于小電流法測(cè)量時(shí)需要轉(zhuǎn)換電流驅(qū)動(dòng)源，因此額定電流驅(qū)動(dòng)下LED在升溫過(guò)程中的結(jié)溫?zé)o法動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3 光譜法

除了上述的電學(xué)參數(shù)法，借助如圖1中所示的小型光纖光譜儀，該實(shí)驗(yàn)還能讓學(xué)生進(jìn)一步探究光譜法測(cè)量LED結(jié)溫的基本思路。通過(guò)改變溫控室溫度，逐次測(cè)量LED正常工作時(shí)(300mA恒定直流驅(qū)動(dòng))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(gè)峰，左側(cè)藍(lán)峰是由LED核心結(jié)構(gòu)PN結(jié)發(fā)出的光譜，右側(cè)黃峰則是熒光粉受激發(fā)出的光譜；(2)隨著結(jié)溫的升高，光譜強(qiáng)度相應(yīng)下降；(3)光譜中藍(lán)峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)隨著結(jié)溫的升高發(fā)生紅移。當(dāng)定量的給出藍(lán)峰的峰值波長(zhǎng)λ和結(jié)溫TJ的關(guān)系時(shí)，可以看到兩者存在近似線性的單調(diào)關(guān)系(如圖4)。因此，若提供某一種類LED的TJ～λ關(guān)系曲線，便可通過(guò)測(cè)量光譜來(lái)得到這類LED的實(shí)時(shí)結(jié)溫。由于正向電壓法需要在LED兩端引腳接入引線來(lái)測(cè)量電壓，這對(duì)于封裝好的燈具來(lái)說(shuō)很難操作，因此光譜法等非接觸式的測(cè)溫方法更為簡(jiǎn)單方便。但是，影響光譜的因素比較復(fù)雜，再加上光譜測(cè)量對(duì)光譜儀精度的依賴性，所以光譜法測(cè)量結(jié)溫的誤差一般高于電壓法。

圖4 待測(cè)LED燈珠在不同結(jié)溫時(shí)的光譜和藍(lán)峰波長(zhǎng)的分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心圍繞LED結(jié)溫測(cè)量這一工程熱點(diǎn)設(shè)計(jì)的課題型物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)改造實(shí)驗(yàn)電路和添加實(shí)驗(yàn)裝置，項(xiàng)目在原有脈沖法測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)上，拓展了小電流法和光譜法測(cè)量結(jié)溫的課題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并獲得了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以鍛煉設(shè)計(jì)改造電路和采集分析光譜的基本實(shí)驗(yàn)技能，了解照明工程中常用的LED結(jié)溫測(cè)量方法，并比較電學(xué)參量法和非接觸測(cè)量法的優(yōu)缺點(diǎn)。