完成课题研究的可行性分析及温度对LED的影响分析

完成课题研究的可行性分析1．组建了一支教学和科研水平高，责任心强的师资队伍：（1）本课题从选题到结题，我校将聘请上海市教科院普教所夏雪梅博士担任课题研究的顾问，借助夏博士在课堂观察、学习素养在课堂生长这一方面的丰富经验，为课题组献计献策，为课题的研究提供了理论指导和技术支持。（2）课题组负责人寿俊梅校长是上海市优青项目名校长培养对象，普陀区校长领导力项目十佳校长。近年来，带领学校先后被评为上海市新优质项目学校、上海市文明单位、普陀区素质教育示范校。学校还负责承办了“聚焦评价，促进学习”上海市《基于课程标准评价指南》联动学校展示活动；“基于标准的校本化评价实践探索”——上海市音乐学科教研展示活动。（3）课题组的核心成员，来自学校的不同学科，不仅是学校课程教学中心的学科负责人，本身也都是学校的一线骨干教师。其中中学高级教师1人，小学高级教师9人，高静书记为上海市上第三期名师培养基地成员，赵萍老师为区英语学科高级指导教师，其余成员均在市区教学评比中获得佳绩。多年的教学工作，让课题组成员们积累了较丰富的教科研经验，为课题的研究提供了有力实践支撑。高静：《提高小学中高年级习作评改有效性的实践与研究》上海市名师基地研究课题，结题发表于名师基地丛书《见证穿越》景璟：《实施德育校本课程助推学生文化建设》发表于《普陀教育》；《聚焦休闲教育提升学生生活品质》发表于《普陀教育》；《灌溉流动花朵创建和谐校园》刊登于《冲突建构融合》一书陶琼：《披文入情，读文激情》上海市小学语文教学论文评比一等奖，发表于《普陀教育》周燕：《品析表达特点，感知伟人形象——“一夜的工作”教学案例》获上海市愉快教育研究所优秀案例评选三等奖倪静斐：《细化目标，优化流程，提高习作评价实效》收录于《上海市中高段语文、数学、英语学科基于标准的评价案例集》郭琪琳：《提高课堂教学实效的“三问”探究》获区“课堂教学中的有效互动”征文优胜奖赵萍：《语境输入语用输出——浅谈文本再构在英语教学中的实践一二》发表于《上海教学研究》冯丽萍《基于单元整体设计，关注评价融入教学——新普陀小学中高年级英语评价案例》收录于《小学中高年段语文、数学、英语学科基于课程标准的评价案例集》、《普陀教育》；区级个人课题《学案导学教学法在小学低年级英语单元教学应用的课例研究》发表于《普陀教育》2．为课题研究提供了一系列相关的保障：（1）基层教师：除了课题组的核心成员外，我们还在各学科各教研组挑选了科研能力强的教研组长和青年教师共同参与。通过扎实有效的课题组培训，让大家队充分认识课题研究的目的，在教学中实践探索，共同研究。（2）资料设备：学校将在图书馆原有的适用于课题研修相关资料的基础上，辟出专项经费添置资料书籍。也为课题组参与教师们开通“知网”账号，保证大家能快捷地开展网络研修，查取资料。（3）时间保证和研究手段：不仅在各自每天的教学过程中、还要在每周一次的教研活动中，带着课题深入实践反思（听课，评课，交流教学心得等）；学校更将专门辟出课题研究的专用时间（示范课，校际交流，理论培训等），由学校统一管理，进行专项考核。综上所述，我们拥有一支高素质，有课题研究经验和能力的研究队伍，具备课题研究所需要的硬件条件，已经储备了相关的理论和实践基础，所以，我们的课题研究是完全可行的。温度对LED的影响分析LED(LightEmittingDiode：发光二极管)作为第四代光源，因其节能、环保、长寿命等优点极具发展前景。但因为LED对温度极为敏感，结温升高会影响LED的寿命、光效、光色(波长)、色温、光形(配光)以及正向电压、最大注入电流、光度、色度、电气参数以及可靠性等。本文详细分析了温度升高对LED各光电参数及可靠性的影响，以利于LED芯片和LED照明产品的设计开发。一、温度过高会对LED造成永久性破坏(1)LED工作温度超过芯片的承载温度将会使LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰，并造成损坏;(2)LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度(通常为125℃)，封装材料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升，从而导致LED开路和失效。二、温度升高会缩短LED的寿命LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越低，直到最后熄灭。通常定义LED光通量衰减30%的时间为其寿命。通常造成LED光衰的原因有以下几方面：(1)LED芯片材料内存在的缺陷在较高温度时会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低LED的发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电板的快扩杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同样会加速LED器件的光衰[1]。(2)高温时透明环氧树脂会变性、发黄，影响其透光性能，工作温度越高这种过程将进行得越快，这是LED光衰的又一个主要原因。(3)荧光粉的光衰也是影响LED光衰的一个主要原因，因为荧光粉在高温下的衰减十分严重。所以，高温是造成LED光衰，缩短LED寿命的主要根源。不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED厂家会给出一套标准的光衰曲线。例如PhilipsLumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线如图1所示，当结温从115℃提高到135℃，其寿命就会从50，000小时缩短到20，000小时。

图1LumiledLuxeonK2的光衰曲线高温导致的LED光通量衰减是不可恢复的，LED没有发生不可恢复的光衰减前的光通量，称为LED的“初始光通量”。三、温度升高会降低LED的发光效率温度影响LED光效的原因包括以下几个方面：(1)温度升高，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会减小，电子迁移率将减小。(2)温度升高，势阱中电子与空穴的辐射复合几率降低，造成非辐射复合(产生热量)，从而降低LED的内量子效率[2]。(3)温度升高导致芯片的蓝光波峰向长波方向偏移，使芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配，也会造成白光LED外部光提取效率的降低[3]。(4)随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，LED的外部光提取效率降低。(5)硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效。一般情况下，光通量随结温的增加而减小的效应是可逆的。也就是说当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这是因为材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致LED器件参数的变化，影响LED的光输出。当温度恢复至初态时，LED器件参数的变化随之消失，LED光输出也会恢复至初态值。对此，LED的光通量值有“冷流明”和“热流明”之分，分别表示LED结点在室温和某一温度下时LED的光输出。一般，LED光通量与结温的关系可以用式(1)表示:(1)其中，表示结温时的光通量(lm);表示结温时的光通量(lm);为温度系数(1/℃);为LED结温的差值，即。一般情况下，值可由实验测定。例如对于InGaAlP基LED相关的值如表1所示。LED材质类别温度系数(1/℃)InGaAlP/GaAs橙红色9.52×10-3InGaAlP/GaAs黄色1.11×10-2InGaAlP/GaP高亮红9.52×10-3InGaAlP/GaP黄色9.52×10-2表1不同材质类别LED的温度系数

图2不同k值LED的光输出(百分比)随结温的变化关系由图2可以看出：LED光效温度系数k最好在2.0×10-3以下，这样由温度引起的LED光输出降低才不会很大。例如，InGaN类LED的k值约为1.2×10-3，结温125℃时光输出相对结温25℃时降低约11%。目前，使用最多的GaN基白光LED的温度系数大多在2.0×10-3～4.0×10-3之间，有的甚至达到了5.0×10-3。k值偏大的LED，更要注意控制结温。四、温度对LED发光波长(光色)的影响LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长。峰值波长即光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼所感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示为式(2)：其中:表示结温时的波长(nm);表示结温时的波长(nm);表示波长随温度变化的系数，一般在0.1～0.3nm/K之间;。五、温度对LED正向电压的影响正向电压是判定LED性能的一个重要参量，其大小取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。相对于20mA的正向电流通常InGaAlPLED的正向电压在1.8～2.2V之间，InGaNLED的正向电压处在3.0～3.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降可由式(3)表示：(3)式中，为正向电压，为正向电流，为反向饱和电流，为电子电荷，是玻尔兹曼常数，是串联电阻，是表征P/N结完美性的一个参量，处在1～2之间。式(3)的右边只有反向饱和电流与温度密切相关，值随结温的升高而增大，导致正向电压值的下降。实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，两端的正向压降与温度的关系可由式(4)表示：(4)式(4)中，与分别表示结温为与时的正向压降，是压降随温度变化的系数，一般在-1.5～-2.5mV/K之间;。当电流固定时，温度升高，LED正向电压会下降。由于正向电压与温度的关系接近线性，所以大多LED热阻测试仪器利用LED的这一特性测量其热阻或结温。六、温度过高会限制LED的最大注入电流温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致最大注入电流减小。图3Cree3