照明用大功率LED參數(shù)測量

張樓英 許金星 吳大軍 崔一平

(1.江蘇省中小企業(yè)電子產品創(chuàng)新工程技術研究開發(fā)中心，淮安 223003;2.淮安信息職業(yè)技術學院 電子工程系，淮安 223003;3.東南大學電子科學與工程學院，先進光電子中心，南京 210096)

1 引言

雖然可見光發(fā)光二極管 (后面稱LED)的檢測目前世界上還沒有一個通用的標準，但一般公認LED最重要的性能指標是光學特性和電學特性。LED的光學性能主要涉及到光譜、光度和色度等方面的性能參數(shù)，主要有光通量、輻射通量、發(fā)光效率、主波長、發(fā)光峰值波長、光譜輻射帶寬、軸向發(fā)光強度、光束半強度角、色品坐標、相關色溫、色純度和顯色指數(shù)等參數(shù)。顯示用的LED，主要是視覺的直觀效果，因此對相關色溫和顯色指數(shù)不作要求;而照明用的白光LED，色溫和顯色指數(shù)兩個參數(shù)就尤為重要，它是照明氣氛和效果的重要指標，而對色純度和主波長一般沒有要求。本文對不同批次的藍、白光大功率LED進行了測試，分析了測試結果，并提出進一步工作建議。

白光LED的色坐標、顯色指數(shù)、色溫和發(fā)光效率與驅動電流、溫度有關系。驅動電流的增加將引起藍光波峰的紅移，并隨電流的增大而增大，而熒光粉與激發(fā)波長的不匹配可能會導致熒光粉的發(fā)光效率下降。

實驗中用不同批次的大功率藍、白光LED進行了測試。

2 實驗

2.1 藍光光譜與正向電流關系

實驗使用積分球光電測量系統(tǒng)［1～2］。光譜分布曲線是指LED發(fā)光的相對強度 (能量)隨波長變化的分布曲線，它由材料的種類性質及發(fā)光機制決定。通過藍光、白光LED施加不同正向電流，觀察其發(fā)光譜，結果如圖1，圖2所示。

如圖1所示為不同正向電流時的大功率藍光LED光譜分布，電流分別是336mA、380mA，可以看出曲線稍有偏移，右上角為局部放大圖。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)以336mA為基準，當正向電流為350mA、360mA，它們的光譜曲線重合，當正向電流為370mA時開始逐漸左移，而電流增加到380mA時曲線右移。

圖1 不同正向電流的大功率藍光LED光譜

圖2 為不同正向電流的白光LED光譜分布，電流分別是325mA、380mA的白光光譜分布，右上角為局部放大圖。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)隨著正向電流增加，從340mA開始逐漸右移，直到389mA仍處于右移狀態(tài)。

圖2 不同正向電流的大功率白光LED光譜

可以看到大功率藍光LED的主波長隨正向電流的增大有一定幅度的漂移，隨著電流的增大，LED的發(fā)光波長先向短波長方向移動 (藍移)［1－2］，但當電流增加380mA時，發(fā)光波長又會向長波長方向移動 (紅移)［1－2］。藍光 LED發(fā)光波長隨注入電流的增大會藍移，是由于載流子在導帶 (或價帶)內的弛豫時間比載流子壽命要短，因此多量子阱區(qū)的自由載流子增加，在一定程度上屏蔽了內建電場，從而使LED的峰值波長發(fā)生藍移。而隨著電流增大，使得P-N結溫度升高，從而導致半導體帶隙減小;并且隨電流增大使得施主受主對俘獲的電子空穴對增加，施主受主對能級逐漸變寬，輻射復合光子能量減小，這樣的結果就是P-N結發(fā)光波長紅移。這樣一來在應用中將產生如下問題:(l)波長變化將為全彩色顯示控制增加難度，同時光譜寬會導致色彩不純，影響照明效果。(2)在照明領域，由于藍光波長的變化將造成白光的顏色發(fā)生變化。

2.2 藍光LED光通量、光效與電流關系

第一批、第二批藍光LED光通量、光效與電流關系分別見表1、表2。

表1 第一批藍光LED光通量、光效與電流關系

在光度學中，光通量定義為能夠被人的視覺系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量。LED的光通量的大小反應了LED光源所發(fā)出的光輻射所引起的人眼光亮感覺的能力，是描述LED總光輸出的重要參數(shù)，也是LED性能優(yōu)劣的根本標志。發(fā)光效能表示單位電功率下輸出的光通量，它表示注入的電功率轉化為出射的光輻射功率的效能。直接帶隙半導體InGaN內電子-空穴復合，主要產生藍光子發(fā)射。復合產生的光子數(shù)同注人的電子-空穴對數(shù)量成正比。對于較小的正向電流，其他一些作用，如陷阱、無輻射及結溫等不利因素影響很小;隨著注入電流增加，電子-空穴對數(shù)量增多并充分復合，復合效率高，藍光發(fā)射光強度增強。隨電流的增加，可能是LED中無輻射成份逐漸上升為主要矛盾，陷阱和有害中心作用逐漸顯露和增強。當電流大時，相當多能量被晶格吸收，轉變?yōu)闊崮埽Y溫更高，以致使光輻射產生溫度碎滅，半導體PN結溫升，使載流子動能增大，可能易造成載流子泄漏等而使LED光通呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。藍光LED的光通變化隨正向電流增大而增大，其中相當多的能量被晶格吸收轉變?yōu)闊崮芎?。功耗的增加超過了光通的增大，故藍光LED的光效隨電流的增加而逐漸下降，實驗中我們用不同批次的大功率藍光LED作了相關實驗，說明了這點。

表2 第二批藍光LED光通量、光效與電流關系

2.3 白光LED光通量、光效與電流關系

第一批、第二批白光LED光通量、光效與電流關系分別見表3、表4。

表3 第一批白光LED光通量、光效與電流關系

表4 第二批白光LED光通量、光效與電流關系

如表3、表4所示，相對發(fā)光強度與注入電流基本呈亞線性關系，隨著電流的增大，光強逐漸增大，相對光強的隨電流變化增幅較為均勻，反應了載流子注入與輻射復合發(fā)光的關系。雖然LED的光通量隨電流的增大而逐漸增大，但發(fā)光效率卻逐漸減小，說明大功率LED的發(fā)光效率受注入電流的影響非常大，總光通量雖然變大了，但每瓦電功率所貢獻的光通量卻大幅減小。其原因是當電流較小時，注入的電流以空間電荷復合電流為主，缺陷位錯等無輻射復合中心以及P-N結溫對復合的影響較小;隨著注入電流的增大，LED中的無輻射復合影響變大，雜質和缺陷的危害逐漸顯露;當注入電流更大時，以擴散電流為主，由于P型載流子濃度不夠高，導致過剩載流子轉化效率不高，且大量載流子被無輻射復合中心俘獲，能量被晶格吸收，結溫更高，使光輻射產生溫度猝滅。當功耗的增加超過了光通量的增加時，發(fā)光效率就隨電流的增大而下降，這對器件的穩(wěn)定性和壽命極為不利。因此為了減小無輻射復合中心對大注入電流的功率級 LED的危害，LED器件制作中必須要求外延生長出高質量的GaN晶體，減小由于晶格失配、外界雜質引入等因素導致的雜質缺陷中心的形成，文獻［7］提到這點。

表3、表4中，第二批白光光通量和光效相對第一批白光大幅度提高，色坐標也更接近等能白，施加較小電流時色坐標更加接近等能白點，這和文獻［8］提出光通時增加，色坐標增加趨勢是一致的。色溫也比第一批低了許多，更合適于照明使用。只是顯色指數(shù)不太理想。由以上測試數(shù)據可以看出，第二批LED藍、白光芯片具有較高的光通量和光效，具有使用價值。

2.4 白光LED的點亮實驗

實驗選用已工作2500小時的白光LED，進行持續(xù)點亮試驗。測量在持續(xù)點亮過程中，白光LED的光學參數(shù)變化，見表5。

表5 持續(xù)點亮過程中，白光LED光學參數(shù)的變化

實驗可以看出，在持續(xù)點亮過程中，光效不斷下降，色溫下降，紅色比增大，顯色指數(shù)增大。提示我們在使用大功率LED作為照明用燈時，不能作長明燈，應該作間歇使用。從實驗結果看，間歇工作與持續(xù)工作相比，持續(xù)工作LED的明顯對燈的性能損害更大，僅持續(xù)點亮340小時就使燈失效了。

3 結論

本文使用光電測試系統(tǒng)對同一廠家的不同批次的大功率藍光、白光LED進行了光譜測試，測試時施加了不同的電流。施加不同電流的藍、白光LED的光譜稍有偏移，藍光是隨電流增大先藍移，后紅移;白光是隨電流增大不斷紅移，由此在應用注意選擇合適的正向電流，否則，發(fā)光波長將會發(fā)生變化。同時我們注意到隨電流增大，藍光、白光LED光通量也非線性增加，光效卻隨正向電流的增加而減小，這點提示在使用時要注意選擇合適的正向電流，從而兼顧光通量、光效，以取得最好的效果。實驗中觀察了白光的色坐標，注意到當加較小的正向電流時，白光LED色坐標更接近等能白點。進行了持續(xù)點亮試驗，發(fā)現(xiàn)持續(xù)近100小時就可以讓LED燈失效，建議使用持續(xù)使用LED時間不超24小時。

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