《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電流對(duì)功率型白光LED光學(xué)參數(shù)的影響分析
摘要: 目前,LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)外還處在探討之中,LED是一種電致發(fā)光器件,當(dāng)電子與空穴發(fā)生輻射復(fù)合時(shí),能量以光子形式發(fā)出,所以注入電流對(duì)LED發(fā)光的光學(xué)特性有直接影響。
關(guān)鍵詞: 白光LED LED芯片 功率型LED
Abstract:
Key words :

  進(jìn)入21世紀(jì),隨著半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步,長(zhǎng)期用于指示和顯示的半導(dǎo)體光源正向照明領(lǐng)域發(fā)展。以功率型白光LED為代表的半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)品,其在照明市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。獲得白光LED常用的途徑是在藍(lán)光LED芯片表面上涂覆一層黃色熒光粉(YAG:Ce3+)。功率型LED與普通LED相比,芯片尺寸較大,需要更大的驅(qū)動(dòng)電流,以發(fā)出更明亮的光,但伴隨著產(chǎn)生更多的熱量會(huì)對(duì)功率型白光LED的光學(xué)電學(xué)參數(shù)及器件的穩(wěn)定性有影響。

  目前,LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)外還處在探討之中,LED是一種電致發(fā)光器件,當(dāng)電子與空穴發(fā)生輻射復(fù)合時(shí),能量以光子形式發(fā)出,所以注入電流對(duì)LED發(fā)光的光學(xué)特性有直接影響。

  1、對(duì)色坐標(biāo)的影響

  現(xiàn)在LED的發(fā)光顏色越來越豐富,LED的色坐標(biāo)參數(shù)是LED重要的物理參數(shù)之一,隨著注入電流的增加,器件出光的色坐標(biāo)在一定程度上減小,如圖1所示。

圖1  色坐標(biāo)隨電流的變化

  2、對(duì)色溫的影響

  當(dāng)一絕對(duì)黑體加熱時(shí),發(fā)出光的顏色與被測(cè)試光源光色相近時(shí),該黑體的溫度稱為光源的相關(guān)色溫。就目前最常采用的實(shí)現(xiàn)白光的方案而言,當(dāng)涂覆的黃色熒光粉較多時(shí),出射的白光光譜中藍(lán)光成分較少,器件色溫較低;當(dāng)黃色熒光粉較少時(shí),出射的白光光譜中藍(lán)光成分較多,色溫較高。

圖2  相關(guān)色溫與正向電流的關(guān)系

  進(jìn)入21世紀(jì),隨著半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步,長(zhǎng)期用于指示和顯示的半導(dǎo)體光源正向照明領(lǐng)域發(fā)展。以功率型白光LED為代表的半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)品,其在照明市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。獲得白光LED常用的途徑是在藍(lán)光LED芯片表面上涂覆一層黃色熒光粉(YAG:Ce3+)。功率型LED與普通LED相比,芯片尺寸較大,需要更大的驅(qū)動(dòng)電流,以發(fā)出更明亮的光,但伴隨著產(chǎn)生更多的熱量會(huì)對(duì)功率型白光LED的光學(xué)電學(xué)參數(shù)及器件的穩(wěn)定性有影響。

  目前,LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)外還處在探討之中,LED是一種電致發(fā)光器件,當(dāng)電子與空穴發(fā)生輻射復(fù)合時(shí),能量以光子形式發(fā)出,所以注入電流對(duì)LED發(fā)光的光學(xué)特性有直接影響。

  1、對(duì)色坐標(biāo)的影響

  現(xiàn)在LED的發(fā)光顏色越來越豐富,LED的色坐標(biāo)參數(shù)是LED重要的物理參數(shù)之一,隨著注入電流的增加,器件出光的色坐標(biāo)在一定程度上減小,如圖1所示。

圖1  色坐標(biāo)隨電流的變化

  2、對(duì)色溫的影響

  當(dāng)一絕對(duì)黑體加熱時(shí),發(fā)出光的顏色與被測(cè)試光源光色相近時(shí),該黑體的溫度稱為光源的相關(guān)色溫。就目前最常采用的實(shí)現(xiàn)白光的方案而言,當(dāng)涂覆的黃色熒光粉較多時(shí),出射的白光光譜中藍(lán)光成分較少,器件色溫較低;當(dāng)黃色熒光粉較少時(shí),出射的白光光譜中藍(lán)光成分較多,色溫較高。

圖2  相關(guān)色溫與正向電流的關(guān)系

  從圖2中可以看出,隨著器件的驅(qū)動(dòng)電流增加,功率型白光LED的色溫從100mA電流時(shí)的5636K增加到350mA電流時(shí)的5734K。這是因?yàn)?,電流加大后,芯片發(fā)出的藍(lán)光增多,黃色熒光粉層的厚度是一定的,則在出射的白光中藍(lán)光成份增加,從而使器件的色溫增加。

  3、對(duì)主波長(zhǎng)的影響

  在CIE1931色度圖中,由標(biāo)準(zhǔn)白光點(diǎn)E(0.333,0.333)與測(cè)得的色坐標(biāo)點(diǎn)連接并延伸,與380~760
nm的光譜軌跡相交,交點(diǎn)所在處的波長(zhǎng)即為該色坐標(biāo)點(diǎn)的主波長(zhǎng)。

  隨著電流增加,器件出光的主波長(zhǎng)在減小,這是因?yàn)殡娏髟黾?,色坐?biāo)減小,標(biāo)準(zhǔn)白光點(diǎn)和色坐標(biāo)點(diǎn)的連線的延長(zhǎng)線與380~760nm的光譜軌跡相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值變小。

圖3  主波長(zhǎng)與電流的關(guān)系曲線

圖4  光通量與電流的關(guān)系曲線

  4、對(duì)光通量的影響

  發(fā)光二極管在調(diào)節(jié)光通量方面具有一定的優(yōu)勢(shì),器件的光通量隨著電流增加而增加,在100mA~250mA,光通量增加率為126.2%;從250mA~350mA時(shí),電流的增加輻度較小且呈非線性增加,增加率為30.4%。PN結(jié)是發(fā)光二極管的核心部分,電流增加后,注入到發(fā)光區(qū)的電子和空穴數(shù)量增加,發(fā)生輻射復(fù)合的數(shù)量也會(huì)增加,器件的光通量增加。但當(dāng)注入電流繼續(xù)增加到某一值時(shí),光通量輸出不再增加,趨于飽和。

圖5  電流對(duì)發(fā)光效率的影響

  5、對(duì)發(fā)光效率的影響

  當(dāng)電流增加時(shí),注入發(fā)光區(qū)的電子發(fā)生非輻射復(fù)合的幾率變大,使器件的內(nèi)量子效率降低,同時(shí),由于電流增加導(dǎo)致器件的溫度升高,使熒光粉的量子效率降低并進(jìn)一步增加了非輻射復(fù)合的幾率。在圖5中,由于驅(qū)動(dòng)電流在正常的工作電流內(nèi),器件的發(fā)光效率雖有一定的降低,但變化的幅度并不大。

  6、對(duì)峰值波長(zhǎng)的影響

  在LED發(fā)光譜中,最高峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為L(zhǎng)ED的峰值波長(zhǎng)。在測(cè)試峰值波長(zhǎng)時(shí),都是點(diǎn)亮1分鐘后才開始測(cè)試的,這是由于同時(shí)考慮了時(shí)間和電流的影響,長(zhǎng)時(shí)間加熱導(dǎo)致了峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向偏移,而電流的增加使峰值波長(zhǎng)向短波方向偏移。藍(lán)光LED器件都是以GaN基制成的,GaN基發(fā)光器件穩(wěn)定性較好,在熱平衡時(shí),不同的電流,器件發(fā)光峰位置幾乎不變。

  7、對(duì)顯色指數(shù)的影響

  顯色指數(shù)(Ra)也是白色照明光源的一個(gè)重要指標(biāo),它是用來測(cè)量光源照到被照射物體上面,還原被照射物體所有顏色能力的指標(biāo),作為照明用的光源要求顯色指數(shù)越高越好,一般要求80以上,國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦的參考光源是Planck黑體輻射體,日常生活中的白熾燈的顯色指數(shù)接近100。

圖6  電流對(duì)顯色指數(shù)的影響

  由于藍(lán)光LED與黃色熒光粉組成的白光系統(tǒng),其光譜中缺少紅光成分,顯色指數(shù)還不理想,這也是目前業(yè)界研究的重點(diǎn)課題。顯色指數(shù)與光譜成分有關(guān),電流增加但并不影響出光的光譜的分布,所以器件的顯色指數(shù)幾乎沒有變化。

  8、小結(jié)

  LED是一種電致發(fā)光器件,器件發(fā)光的各光學(xué)參數(shù)與流過器件的電流有直接的關(guān)系。隨著電流的增加,功率型白光LED的色溫會(huì)有一定的升高,色坐標(biāo)(x,y)小,光通量增加但發(fā)光效率降低。作為照明用的功率型白光LED的主要技術(shù)指標(biāo)隨電的變化而變化,但變化幅度不大,基本保持穩(wěn)定,另外白光LED具有節(jié)能、長(zhǎng)壽命和無污染等優(yōu)點(diǎn),所以白光LED是下一代照明光源的理想選擇。

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