一、引言
众所周知，LED是一种电发光器件，其基本的物理过程是电能向光能的转变。所谓提高LED的功率，即是提高电输入能量，同时又能获得尽可能大的光功率输出。通常将单位输入功率所产生的光能（光通量）谓之光电转换功率，简称光效。早期的LED由于光效很低（-0.1 lm/w），亮度很低，通常只用于表示亮、暗的状态，作指示灯之用。上世纪九十年代初，超高亮四元系LED的出现，使器件亮度有了数量级的增长，特别是紧接着的GaN基蓝、绿光及白光LED的出现，使LED的应用方向发生了巨大的改变。固态照明已成为21世纪人类追求的重要目标。显然，不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路。假设LED的光效为100 lm/w，那么要达到一只40支光（瓦）的白炽灯所发出的600 lm的光通量，LED的输入功率必须达到6w。然而，目前一只Φ5的标准LED的输入功率通常为0.04～0.07w，远不能满足实用照明的需要。大量实践表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能的变化与衰减，甚至失效。本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种升温效应的途径作一些简明的讨论。
二、LED器件温升估计
设芯片面积为1.2×1.2mm2，厚度为200um，GaAs衬底。由于外延层很薄，忽略外延层材料与衬底之间的差异，不考虑电极的影响，那么芯片的体积约为2.88×10×4cm3。GaAs晶体的比重为5.318（克/cm3），故芯片重量约为15.3×10-4克。设器件的工作电流为100mA，如其中约90％的电功率转变为热，那么在不考虑芯片向周围环境散热的条件下，器件在接通电流20分钟后，计算得芯片的温度可达到5×105˚C，计算中使用的GaAs晶体比热数据为0.33焦耳/克•度。可见其温升效应的严重性。这里只是把芯片作为一个均匀的发热体加以考虑，如考虑到结处温升的集中效应，情况将更加严重。庆幸的是，在芯片的升温过程中，芯片不可能处于绝热状态，而总是以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换，最终达到热平衡，使芯片的温度维持在一个较低的水准上。
三、结温对LED性能的影响
1、结温对LED光输出的影响
实验指出，发红、黄光的InGaAlP LED与发蓝、绿光的InGaN LED，其光输出强度均明显依赖于器件的结温。也就是说，当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小；而当结温下降时，光输出强度将增大，一般情况下，这种变化是可逆与可恢复的，当温度回到原来的值，光强也会回复到原来的状态。
图1（a）指出了InGaAlP LED的光输出相对量随温度的变化，这里以25˚C作为器件性能的基准点。由图可知，InGaAlP 橙色的LED比红色的LED具有更高的温度灵敏度。当结温升至100˚C时，琥珀色器件的输出通量降去了75％。图1（b）是InGaAlP LED的另一组光输出的温度数据，设25˚C时LED的值为100，那么当结温升至100˚C时，640nm、620nm与590nm的InGaAlP LED的光输出分别为原始值的42％、30％与20％。
结温对光输出影响的数学表达式如式（1）所示：
ΦV（T2）=ΦV（T1）e-kΔT （1）
其中，ΦV（T2）表示结温T2的光通量输出；ΦV（T1）表示结温T1的光通量输出；K为温度系数；ΔT=T2- T1。
一般情况下，K值可由实验测定，对于InGaAlP LED相关的K值如表1所示：
由上表可知，对于InGaAlP LED，温度系数仅与器件的发光波长有关，而与衬底是否透明无关，进一步的实验指出，InGaAlP的发光波长越短，K值越大。器件的出光通量随温度增加衰减得越快。对于InGaN系列的LED，出光通量随温度的变化远小于InGaAlP LED。典型结果如图２所示。由图可知，随着发光波长变短，光输出通量随温度的变化越不明显。表２列出了相对于25˚C而言，100˚C结温时光输出通量的相对数值。
式（2）指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式
ΦT2=ΦT1e-（T2-T1/T0） （2）
这里T0代表一种特征温度。T0值与材料有关，实验指出，对于红色的InGaAlP LED，T0=85˚C；对于琥珀色的InGaAlP LED，T0≈85˚
