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研究生:陳榮裕
研究生(外文):Jung-yue Chen
論文名稱:底座溫度與驅動電流對高功率LED特性影響之研究
論文名稱(外文):A study of the effect of substrate temperature and driving current on the characteristics of high power LEDs
指導教授:周榮華周榮華引用關係
指導教授(外文):Jung-Hua Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:164
中文關鍵詞:驅動電流LED穩定性發光效率色度偏移高功率LED底座溫度
外文關鍵詞:high power LEDsubstrate temperaturedriving currentcolor shiftingluminous efficiencyLED stability
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本論文主旨係研究不同款LED (LUXEON-Rebel、LUXEON-Emitter、Osram-Golden Dragon)在不同底座溫度、驅動電流下,其光學、電氣及效率特性之影響,並評估其穩定性。本實驗將環境溫度控制在24±1℃的範圍內,其主動變數為驅動電流(100~400mA)及底座溫度(25℃~70℃);應變變數為光通量、主波長、峰波長、半高寬、XY色度與電氣特性(驅動電壓)及發光效率。
本研究結果發現:首先,隨底座溫升R,G,B-LED之光通量降低;主波長及峰波長均以近線性趨勢往長波長偏移;半高寬變寬;XY色度值部分,R,G-LED均往右下角偏移,B-LED往左上角偏移;R,G-LED之發光效率均降低,B-LED則微幅上升。又隨驅動電流增加R,G,B-LED之光通量增加;主波長往短波長偏移;R-LED之峰波長往長波長偏移,B,G-LED均往短波長偏移;半高寬變寬;XY色度值部分,R-LED往左上角偏移,G-LED往左下角偏移,B-LED靠右偏移;發光效率均下降。
就穩定性而言,定電流(350mA)下,隨底座溫升R-LED均以Emitter較穩定,G-LED均以Osram較穩定,B-LED則略有差異,以光通量變化量作分析,Emitter較穩定,以發光效率變化量下作分析,則以Rebel較穩定;定溫(50°C)下,隨電流增加R,G-LED均以Emitter較穩定,B-LED則略有差異,以光通量變化量作分析,Rebel較穩定,以發光效率變化量下作分析,Osram較穩定。
The purpose of this thesis is to study the characteristics of three high power R,G,B-LEDs (LUXEON-Rebel, LUXEON-Emitter, Osram-Golden Dragon) under the conditions of different substrate temperatures and driving currents. The driving current varies from 100 to 400mA and the substrate temperature from 25℃ to 70℃. The characteristics examined include the luminous flux and efficiency, main wavelength, peak wavelength, full width at half amplitude, chromaticity and induced voltage. The ambient temperature is control LED within the range of 24±1℃ for all the experiments.
Key observations are as follows. With increasing substrate temperatures, the luminous flux reduces, the main wavelength and peak wavelength linearly shift to long wavelengths, and full width at half amplitude widens. The x, y chromaticity makes a right-down shift for R,G-LEDs and left-up shift for B-LED. The luminous efficiency of R,G-LEDs reduces whereas that of B-LED increases slightly. With increasing driving current, the luminous flux increases. The main wavelength shifts to wavelengths while the peak wavelength of R-LED shifts to a long wavelength shift and those of B,G-LEDs to short wavelengths. The full width at half amplitude enlarges. The x, y chromaticity of R-LED exhibits a right-up shift, G-LED a left-down shift and G-LED a right shift. All of the luminous efficiencies of R,G,B-LEDs reduce.
The stability in terms of substrate temperature variation, the red Emitter LED and Osram’s G-LED are most stable. With increasing driving currents, the Emitter red and green LEDs are most stable.
考試合格證明
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 ⅩⅠ
圖目錄 ⅩⅡ
符號 ⅩⅤⅡ
第一章、緒論 1
1-1.研究背景 1
1-2.研究動機 3
1-3.文獻回顧 5
1-4.研究目的 8
第二章、基本理論分析 9
2-1.相關的光度學名詞 9
1.光通量(Luminous flux, Φv) 9
2.發光效率(Luminous efficacy, η) 10
3.光強度(luminous intensity, Iν) 10
4.光亮度(luminance, Lν) 10
5.光照度(Illuminance, Eν) 10
2-2.LED的特徵參數 11
1.峰波長(peak wavelength, λp) 11
2.中心波長(Central Wavelength, λc) 11
3.半高寬(Full-Width Half-Maximum, FWHM) 11
4.主波長(Dominant wavelength, λd) 12
5.純度(Purity) 12
2-2.色度理論分析 13
1.相對光譜功率分佈(Spectral Power Distribution, SPD) 13
2.光的輻射功率與溫度之關係 13
3.色度理論分析 14
(1).物體色三刺激值(X,Y,Z) 14
(2).視效函數(X-bar,Y-bar,Z-bar) 15
(3).CIE 1931色度座標 16
(4).CIE 1976色度座標 16
2-3.數學計算方式 17
1.LED正規化趨勢比較 17
2.LED穩定性評估方法 20
3.LED的效率特徵參數計算 26
第三章、實驗量測 27
3-1.高功率LED介紹 27
1.高功率LED晶片材料性質介紹 27
(1).AllnGaP系發光二極體 27
(2).InGaN系發光二極體 29
2.高功率LED工作規格介紹 30
(1).OSRAM-Golden Dragon LED規格 30
(2).LUXEON-Emitter LED規格 31
(3).LUXEON-Rebel LED規格 32
3-2.量測儀器介紹 33
1.積分球光譜儀 34
2.溫度控制模組 36
3.電氣控制模組 37
3-3.量測步驟 38
3-4.量測實驗架構 39
第四章、實驗結果 41
4-1.底座溫度及驅動電流對LED特性之影響 41
4-1-1.發光二極體之光學特性量測結果 41
1.光通量(Φ)與底座溫度 41
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 42
(2).LUXEON-Rebel LED 44
(3).LUXEON-Emitter LED 46
2.光通量(Φ)與驅動電流 48
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 48
(2).LUXEON-Rebel LED 51
(3).LUXEON-Emitter LED 53
3.主波長(λd)與底座溫度 55
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 55
(2).LUXEON-Rebel LED 58
(3).LUXEON-Emitter LED 60
4.主波長(λd)與驅動電流 62
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 62
(2).LUXEON-Rebel LED 65
(3).LUXEON-Emitter LED 67
5.峰波長(λp)與底座溫度 69
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 69
(2).LUXEON-Rebel LED 71
(3).LUXEON-Emitter LED 73
6.峰波長(λp)與驅動電流 75
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 75
(2).LUXEON-Rebel LED 78
(3).LUXEON-Emitter LED 80
7.半高寬(FWHM)與底座溫度 82
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 82
(2).LUXEON-Rebel LED 85
(3).LUXEON-Emitter LED 87
8.半高寬(FWHM)與驅動電流 89
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 89
(2).LUXEON-Rebel LED 92
(3).LUXEON-Emitter LED 94
9.XY色度與底座溫度 96
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 96
(2).LUXEON-Rebel LED 98
(3).LUXEON-Emitter LED 100
10.XY色度與驅動電流 102
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 102
(2).LUXEON-Rebel LED 104
(3).LUXEON-Emitter LED 106
4-1-2.發光二極體之電氣特性量測結果 108
1.電壓(V)與底座溫度 108
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 108
(2).LUXEON-Rebel LED 111
(3).LUXEON-Emitter LED 113
2.電壓(V)與驅動電流 115
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 115
(2).LUXEON-Rebel LED 118
(3).LUXEON-Emitter LED 120
4-1-3.發光二極體之效率(η)特性量測結果 122
1.發光效率(η)與底座溫度 123
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 123
(2).LUXEON-Rebel LED 126
(3).LUXEON-Emitter LED 128
2.發光效率(η)與驅動電流 130
(1).OSRAM-Golden Dragon LED 130
(2).LUXEON-Rebel LED 132
(3).LUXEON-Emitter LED 134
4-2.高功率三原色LED之穩定性評估 136
1.紅綠藍光LED的光通量(Φ)與底座溫度之穩定性關係 137
(1).紅光LED的相對發光通量(Φ)與底座溫度之關係 137
(2).綠光LED的相對發光通量(Φ)與底座溫度之關係 138
(3).藍光LED的相對發光通量(Φ)與底座溫度之關係 138
2.紅綠藍光LED的光通量(Φ)與驅動電流之穩定性關係 139
(1).紅光LED的相對發光通量(Φ)與驅動電流之關係 139
(2).綠光LED的相對發光通量(Φ)與驅動電流之關係 140
(3).藍光LED的相對發光通量(Φ)與驅動電流之關係 140
3.紅綠藍光LED的主波長(λd)與底座溫度之穩定性關係 141
(1).紅光LED的主波長(λd)與底座溫度之關係 141
(2).綠光LED的主波長(λd)與底座溫度之關係 142
(3).藍光LED的主波長(λd)與底座溫度之關係 142
4.紅綠藍光LED的主波長(λd)與驅動電流之穩定性關係 143
(1).紅光LED的主波長(λd)與驅動電流之關係 143
(2).綠光LED的主波長(λd)與驅動電流之關係 144
(3).藍光LED的主波長(λd)與驅動電流之關係 144
5.紅綠藍光LED的峰波長(λp)與底座溫度之穩定性關係 145
(1).紅光LED的峰波長(λp)與底座溫度之關係 145
(2).綠光LED的峰波長(λp)與底座溫度之關係 146
(3).藍光LED的峰波長(λp)與底座溫度之關係 146
6.紅綠藍光LED的峰波長(λp)與驅動電流之關係 147
(1).紅光LED的峰波長(λp)與驅動電流之關係 147
(2).綠光LED的峰波長(λp)與驅動電流之關係 148
(3).藍光LED的峰波長(λp)與驅動電流之關係 148
7.紅綠藍光LED的半高寬(FWHM)與底座溫度之穩定性關係 149
(1).紅光LED的半高寬(FWHM)與底座溫度之關係 149
(2).綠光LED的半高寬(FWHM)與底座溫度之關係 150
(3).藍光LED的半高寬(FWHM)與底座溫度之關係 150
8.紅綠藍光LED的半高寬(FWHM)與驅動電流之穩定性關係 151
(1).紅光LED的半高寬(FWHM)與驅動電流之關係 151
(2).綠光LED的半高寬(FWHM)與驅動電流之關係 152
(3).藍光LED的半高寬(FWHM)與驅動電流之關係 152
9.紅綠藍光LED的電壓(V)與底座溫度之穩定性關係 153
(1).紅光LED的電壓(V)與底座溫度之關係 153
(2).綠光LED的電壓(V)與底座溫度之關係 154
(3).藍光LED的電壓(V)與底座溫度之關係 154
10.紅綠藍光LED的電壓(V)與驅動電流之穩定性關係 155
(1).紅光LED的電壓(V)與驅動電流之關係 155
(2).綠光LED的電壓(V)與驅動電流之關係 156
(3).藍光LED的電壓(V)與驅動電流之關係 156
11.紅綠藍光LED的發光效率(η)與底座溫度的穩定性關係 157
(1).紅光LED的發光效率(η)與底座溫度之關係 157
(2).綠光LED的發光效率(η)與底座溫度之關係 158
(3).藍光LED的發光效率(η)與底座溫度之關係 158
12.紅綠藍光LED之發光效率(η)與驅動電流的穩定性關係 159
(1).紅光LED的發光效率(η)與驅動電流之關係 159
(2).綠光LED的發光效率(η)與驅動電流之關係 160
(3).藍光LED的發光效率(η)與驅動電流之關係 160
第五章、結論與建議 161
1.底座溫度及驅動電流對於LED參數特性之影響 161
(1).隨底座溫升對於LED特性之影響 161
(2).隨驅動電流增加對於LED特性之影響 161
2.特性參數變化量對於LED之穩定性評估 161
(1).定電流(350mA)下,隨底座溫升之穩定性評估 161
(2).定溫(50°C)下,隨電流增加之穩定性評估 161
3.未來研究方向建議 162
參考文獻 163




表目錄
表2-1.穩定性關係之各廠牌面積比較表 21
表2-2.穩定性關係之各廠牌單位電流面積比較表 21
表2-3.穩定性關係之各廠牌面積比較表 24
表2-4.穩定性關係之各廠牌單位電流面積比較表 24
表2-5.常見光源特性比較表 26
表3-1.本研究採用AllnGaP系晶片之高功率LED 28
表3-2.本研究採用InGaN系晶片之高功率LED 30
表3-3.在環溫25°C下R,G,B OSRAM-Golden Dragon LED規格 31
表3-4.在環溫25°C下R,G,B LUXEON-Emitter LED規格 31
表3-5.在環溫25°C下R,G,B LUXEON-Rebel LED規格 32
表4-2-1.定電流(350mA)下LED光通量(Φ)變化總面積及穩定性評估表 137
表4-2-2.定溫(50°C)下LED光通量(Φ)變化總面積及穩定性評估表 139
表4-2-3.定電流(350mA)下LED主波長(λd)變化總面積及穩定性評估表 141
表4-2-4.定溫(50°C)下LED主波長(λd)變化總面積及穩定性評估表 143
表4-2-5.定電流(350mA)下LED峰波長(λp)變化總面積及穩定性評估表 145
表4-2-6.定溫(50°C)下LED峰波長(λp)變化總面積及穩定性評估表 147
表4-2-7.定電流(350mA)下LED半高寬(FWHM)變化總面積及穩定性評估表 149
表4-2-8.定溫(50°C)下LED半高寬(FWHM)變化總面積及穩定性評估表 151
表4-2-9.定電流(350mA)下LED電壓(V)變化總面積及穩定性評估表 153
表4-2-10.定溫(50°C)下LED電壓(V)變化總面積及穩定性評估表 155
表4-2-11.定電流(350mA)下LED發光效率(η)變化總面積及穩定性評估表 157
表4-2-12.定溫(50°C)下LED發光效率(η)變化總面積及穩定性評估表 159


圖目錄
圖1-1.發光二極體分類 2
圖1-2.高功率高亮度LED市場趨勢圖 2
圖1-3.OSRAM R-LED底座溫度變化之光譜分佈圖 3
圖1-4.OSRAM R-LED驅動電流變化之光譜分佈圖 4
圖1-5.LED的光譜會隨著晶片溫度而改變 6
圖1-6.三原色之混光模式與晶片溫度之色度偏移 7
圖2-1.峰波長、中心波長與半高寬 11
圖2-2.主波長與純度 12
圖2-3.視效函數圖 15
圖2-4.CIE 1931色度圖 16
圖2-5.CIE 1976色度圖 16
圖2-6.固定電流下之光通量變化趨勢圖 17
圖2-7.固定電流下之LED正規化趨勢比較圖 18
圖2-8.相對的發光通量與驅動電流之關係 19
圖2-9.隨電流增加之各品牌間之光通量變化量趨勢圖 20
圖2-10.OSRAM及Emitter R-LED之光通量(Φ)與電流( )的變化量圖 22
圖2-11.隨底座溫度增加之各品牌間之光通量變化量趨勢圖 23
圖2-12.OSRAM及Emitter R-LED之光通量(Φ)與溫度(°C)的變化量圖 25
圖3-1.AllnGaP系發光二極體的橫截面圖 28
圖3-2.InGaN系發光二極體的橫截面圖 29
圖3-3.實際量測儀器系統圖 33
圖3-4.整體量測儀器系統架構圖 33
圖3-5.為積分球架構 34
圖3-6.積分球量測流程圖 35
圖3-7.溫度控制模組架構圖 36
圖3-8.電氣控制模組架構圖 37
圖3-9.實驗架構圖 38
圖3-10.LED特性研究架構圖 39
圖4-1-1.OSRAM LED之光通量與底座溫度的關係圖 42
圖4-1-2.LUXEON-Rebel LED之光通量與底座溫度的關係圖 44
圖4-1-3.LUXEON-Emitter LED之光通量與底座溫度的關係圖 46
圖4-2-1.OSRAM LED之光通量與驅動電流的關係圖 49
圖4-2-2.LUXEON-Rebel LED之光通量與驅動電流的關係圖 51
圖4-2-3.LUXEON-Emitter LED之光通量與驅動電流的關係圖 53
圖4-3-1.OSRAM LED之主波長(λd)與底座溫度的關係圖 56
圖4-3-2.LUXEON-Rebel LED之主波長(λd)與底座溫度的關係圖 58
圖4-3-3.LUXEON-Emitter LED之主波長(λd)與底座溫度的關係圖 60
圖4-4-1.OSRAM LED之主波長(λd)與驅動電流的關係圖 63
圖4-4-2.LUXEON-Rebel LED之主波長(λd)與驅動電流的關係圖 65
圖4-4-3.LUXEON-Emitter LED之主波長(λd)與驅動電流的關係圖 67
圖4-5-1.OSRAM LED之峰波長(λp)與底座溫度的關係圖 69
圖4-5-2.LUXEON-Rebel LED之峰波長(λp)與底座溫度的關係圖 71
圖4-5-3.LUXEON-Emitter LED之峰波長(λp)與底座溫度的關係圖 73
圖4-6-1.OSRAM LED之峰波長(λp)與驅動電流的關係圖 76
圖4-6-2.LUXEON-Rebel LED之峰波長(λp)與驅動電流的關係圖 78
圖4-6-3.LUXEON-Emitter LED之峰波長(λp)與驅動電流的關係圖 80
圖4-7-1.OSRAM LED之半高寬(FWHM)與底座溫度的關係圖 83
圖4-7-2.LUXEON-Rebel LED之半高寬(FWHM)與底座溫度的關係圖 85
圖4-7-3.LUXEON-Emitter LED之半高寬(FWHM)與底座溫度的關係圖 87
圖4-8-1.OSRAM LED之半高寬(FWHM)與驅動電流的關係圖 90
圖4-8-2.LUXEON-Rebel LED之半高寬(FWHM)與驅動電流的關係圖 92
圖4-8-3.LUXEON-Emitter LED之半高寬(FWHM)與驅動電流的關係圖 94
圖4-9-1.OSRAM LED之XY色度與底座溫度之關係圖 96
圖4-9-2.LUXEON-Rebel LED之XY色度與底座溫度之關係圖 98
圖4-9-3.LUXEON-Emitter LED之XY色度與底座溫度之關係圖 100
圖4-10-1.OSRAM LED之XY色度與驅動電流之關係圖 102
圖4-10-2.LUXEON-Rebel LED之XY色度與驅動電流之關係圖 104
圖4-10-3.LUXEON-Emitter LED之XY色度與驅動電流之關係圖 106
圖4-11-1.OSRAM LED之電壓(V)與底座溫度之關係圖 109
圖4-11-2.LUXEON-Rebel LED之電壓(V)與底座溫度之關係圖 111
圖4-11-3.LUXEON-Emitter LED之電壓(V)與底座溫度之關係圖 113
圖4-12-1.OSRAM LED之電壓(V)與驅動電流之關係圖 116
圖4-12-2.LUXEON-Rebel LED之電壓(V)與驅動電流之關係圖 118
圖4-12-3.LUXEON-Emitter LED之電壓(V)與驅動電流之關係圖 120
圖4-13-1.OSRAM LED之發光效率(η)與底座溫度之關係圖 124
圖4-13-2.LUXEON-Rebel LED之發光效率(η)與底座溫度之關係圖 126
圖4-13-3.LUXEON-Emitter LED之發光效率(η)與底座溫度之關係圖 128
圖4-14-1.OSRAM LED之發光效率(η)與驅動電流之關係圖 130
圖4-14-2.LUXEON-Rebel LED之發光效率(η)與驅動電流之關係圖 132
圖4-14-3.LUXEON-Emitter LED之發光效率(η)與驅動電流之關係圖 134
圖4-15-1.三款式R-LED之光通量(Φ)與底座溫度的穩定性關係圖 137
圖4-15-2.三款式G-LED之光通量(Φ)與底座溫度的穩定性關係圖 138
圖4-15-3.三款式B-LED之光通量(Φ)與底座溫度的穩定性關係圖 138
圖4-16-1.三款式R-LED之光通量(Φ)與驅動電流的穩定性關係圖 139
圖4-16-2.三款式G-LED之光通量(Φ)與驅動電流的穩定性關係圖 140
圖4-16-3.三款式B-LED之光通量(Φ)與驅動電流的穩定性關係圖 140
圖4-17-1.三款式R-LED之主波長(λd)與底座溫度的穩定性關係圖 141
圖4-17-2.三款式G-LED之主波長(λd)與底座溫度的穩定性關係圖 142
圖4-17-3.三款式B-LED之主波長(λd)與底座溫度的穩定性關係圖 142
圖4-18-1.三款式R-LED之主波長(λd)與驅動電流的穩定性關係圖 143
圖4-18-2.三款式G-LED之主波長(λd)與驅動電流的穩定性關係圖 144
圖4-18-3.三款式B-LED之主波長(λd)與驅動電流的穩定性關係圖 144
圖4-19-1.三款式R-LED之峰波長(λp)與底座溫度的穩定性關係圖 145
圖4-19-2.三款式G-LED之峰波長(λp)與底座溫度的穩定性關係圖 146
圖4-19-3.三款式B-LED之峰波長(λp)與底座溫度的穩定性關係圖 146
圖4-20-1.三款式R-LED之峰波長(λp)與驅動電流的穩定性關係圖 147
圖4-20-2.三款式G-LED之峰波長(λp)與驅動電流的穩定性關係圖 148
圖4-20-3.三款式B-LED之峰波長(λp)與驅動電流的穩定性關係圖 148
圖4-21-1.三款式R-LED之半波寬(FWHM)與底座溫度的穩定性關係圖 149
圖4-21-2.三款式G-LED之半波寬(FWHM)與底座溫度的穩定性關係圖 150
圖4-21-3.三款式B-LED之半波寬(FWHM)與底座溫度的穩定性關係圖 150
圖4-22-1.三款式R-LED之半波寬(FWHM)與驅動電流的穩定性關係圖 151
圖4-22-2.三款式G-LED之半波寬(FWHM)與驅動電流的穩定性關係圖 152
圖4-22-3.三款式B-LED之半高寬(FWHM)與驅動電流的穩定性關係圖 152
圖4-23-1.三款式R-LED之電壓(V)與底座溫度的穩定性關係圖 153
圖4-23-2.三款式G-LED之電壓(V)與底座溫度的穩定性關係圖 154
圖4-23-3.三款式B-LED之電壓(V)與底座溫度的穩定性關係圖 154
圖4-24-1.三款式R-LED之電壓(V)與驅動電流的穩定性關係圖 155
圖4-24-2.三款式G-LED之電壓(V)與驅動電流的穩定性關係圖 156
圖4-24-3.三款式B-LED之電壓(V)與驅動電流的穩定性關係圖 156
圖4-25-1.三款式R-LED之發光效率(η)與底座溫度的穩定性關係圖 157
圖4-25-2.三款式G-LED之發光效率(η)與底座溫度的穩定性關係圖 158
圖4-25-3.三款式B-LED之發光效率(η)與底座溫度之穩定性關係圖 158
圖4-26-1.三款式R-LED之發光效率(η)與驅動電流的穩定性關係圖 159
圖4-26-2.三款式G-LED之發光效率(η)與驅動電流之穩定性關係圖 160
圖4-26-3.三款式B-LED之發光效率(η)與驅動電流的穩定性關係圖 160
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