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電流對白光LED光學特性的影響
摘要: 進入21世紀,隨著半導體技術和封裝技術的不斷進步,長期用于指示和顯示的半導體光源正向照明領域發展。以功率型白光LED為代表的半導體照明新興產品,其在照明市場的發展潛力值得期待。
Abstract:
Key words :

  進入21世紀,隨著半導體技術和封裝技術的不斷進步,長期用于指示和顯示的半導體光源正向照明領域發展。以功率型白光LED為代表的半導體照明新興產品,其在照明市場的發展潛力值得期待。獲得白光LED常用的途徑是在藍光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,需要更大的驅動電流,以發出更明亮的光,但伴隨著產生更多的熱量會對功率型白光LED的光學電學參數及器件的穩定性有影響。

  目前,LED光學參數的測量方法在國內外還處在探討之中,LED是一種電致發光器件,當電子與空穴發生輻射復合時,能量以光子形式發出,所以注入電流對LED發光的光學特性有直接影響。

  1、對色坐標的影響

  現在LED的發光顏色越來越豐富,LED的色坐標參數是LED重要的物理參數之一,隨著注入電流的增加,器件出光的色坐標在一定程度上減小,如圖1所示。

  


 

  圖1 色坐標隨電流的變化

  2、對色溫的影響

  當一絕對黑體加熱時,發出光的顏色與被測試光源光色相近時,該黑體的溫度稱為光源的相關色溫。就目前最常采用的實現白光的方案而言,當涂覆的$熒光粉較多時,出射的白光光譜中藍光成分較少,器件色溫較低;當$熒光粉較少時,出射的白光光譜中藍光成分較多,色溫較高。

  

 

  圖2 相關色溫與正向電流的關系

  從圖2中可以看出,隨著器件的驅動電流增加,功率型白光LED的色溫從100mA電流時的5636K增加到350mA電流時的5734K。這是因為,電流加大后,芯片發出的藍光增多,$熒光粉層的厚度是一定的,則在出射的白光中藍光成份增加,從而使器件的色溫增加。

  3、對主波長的影響

  在CIE1931色度圖中,由標準白光點E(0.333,0.333)與測得的色坐標點連接并延伸,與380~760nm的光譜軌跡相交,交點所在處的波長即為該色坐標點的主波長。

  隨著電流增加,器件出光的主波長在減小,這是因為電流增加,色坐標減小,標準白光點和色坐標點的連線的延長線與380~760nm的光譜軌跡相交點對應的波長值變小。

  

 

  圖3 主波長與電流的關系曲線

  

 

  圖4 光通量與電流的關系曲線

  4、對光通量的影響

  發光二極管在調節光通量方面具有一定的優勢,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,電流的增加輻度較小且呈非線性增加,增加率為30.4%。PN結是發光二極管的核心部分,電流增加后,注入到發光區的電子和空穴數量增加,發生輻射復合的數量也會增加,器件的光通量增加。但當注入電流繼續增加到某一值時,光通量輸出不再增加,趨于飽和。

  

 

  圖5 電流對發光效率的影響

  5、對發光效率的影響

  當電流增加時,注入發光區的電子發生非輻射復合的幾率變大,使器件的內量子效率降低,同時,由于電流增加導致器件的溫度升高,使熒光粉的量子效率降低并進一步增加了非輻射復合的幾率。在圖5中,由于驅動電流在正常的工作電流內,器件的發光效率雖有一定的降低,但變化的幅度并不大。

  6、對峰值波長的影響

  在LED發光譜中,最高峰對應的波長稱為LED的峰值波長。在測試峰值波長時,都是點亮1分鐘后才開始測試的,這是由于同時考慮了時間和電流的影響,長時間加熱導致了峰值波長向長波方向偏移,而電流的增加使峰值波長向短波方向偏移。藍光LED器件都是以GaN基制成的,GaN基發光器件穩定性較好,在熱平衡時,不同的電流,器件發光峰位置幾乎不變。

  7、對顯色指數的影響

  顯色指數(Ra)也是白色照明光源的一個重要指標,它是用來測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,作為照明用的光源要求顯色指數越高越好,一般要求80以上,國際照明委員會(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接近100。

  

 

  圖6 電流對顯色指數的影響

  由于藍光LED與$熒光粉組成的白光系統,其光譜中缺少紅光成分,顯色指數還不理想,這也是目前業界研究的重點課題。顯色指數與光譜成分有關,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幾乎沒有變化。

  8、小結

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

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