電流對(duì)功率型白光LED光學(xué)參數(shù)的影響分析

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＋@得白光LED常用的途徑是在藍(lán)光LED芯片表面上涂覆一層$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(lái)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$熒光粉較多時(shí)，出射的白光光譜中藍(lán)光成分較少，器件色溫較低;當(dāng)$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，$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380~760nm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)殡娏髟黾樱鴺?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(kāi)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(lái)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$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(méi)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(guò)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(wú)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。