LED應用知識分享

　　1、單個(gè)led的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率有什么異同？

　　針對某一個(gè)特定的LED，加上規定的正向偏置，例如加上IF＝20mA正向電流后（對應的VF≈3.4V），測得的輻射光通量Φ＝1.2lm，則這個(gè)LED的流明效率為：

　　η＝1.2lm×1000/3.4V×20mA＝1200/68≈17.6lm/W

　　顯然，對于單個(gè)LED，如施加的電功率Pe＝VF×IF，那么在這個(gè)功率下測得的輻射光通量折算為每瓦的流明值即為單個(gè)LED的流明效率。

　　但是，作為一個(gè)燈具，不論LED PN結上實(shí)際加上的功率VF×IF是多少，燈具的電功率總是燈具輸入端口送入的電功率，它包括了電源部分（如穩壓器、穩流源、交流整流成直流電源部分等）所消耗的功率。燈具中，驅動(dòng)電路的存在使它的流明效率比測試單個(gè)LED的流明效率要下降。電路損耗越大，流明效率越低，因此，尋找一種高效率的LED驅動(dòng)電路就顯得極為重要。

　　2、為什么一只藍光LED在涂上特殊的熒光粉構成的白光LED后，其輻射光通量會(huì )比藍光高出幾倍甚至十幾倍？

　　從前面我們已經(jīng)知道白光LED是用什么方法制造出來(lái)的，其中一種方法是在發(fā)藍光的LED芯片上涂上一層YAG熒光粉，部分藍光光子激發(fā)YAG熒光粉，形成光電轉換，熒光粉被激發(fā)產(chǎn)生黃光光子，藍色光與黃色光混合變成白色光，成為白光LED。這種通過(guò)光?光轉換后不同波長(cháng)的光的混合，會(huì )使它的波譜變寬，白光LED一般具有比LED藍光波譜寬得多的波譜。對于用藍光芯片加YAG熒光粉制成的白光LED，與單色LED相比，人眼對它的視覺(jué)函數應當是各種波長(cháng)成分視覺(jué)函數的積分平均值，此值可以通過(guò)計算得到約為296lm，即這種白光LED，當發(fā)射出光功率1W的白光時(shí)，其輻射光通量約為296lm，這個(gè)數值比發(fā)射光功率1W的藍色LED的輻射光通量41增大了7.2倍。

　　3、什么是LED的結溫？它是如何產(chǎn)生的？

　　LED的基本結構是一個(gè)半導體的PN 結。實(shí)驗指出，當電流流過(guò)LED器件時(shí)，PN結的溫度將上升，嚴格意義上說(shuō)，就把PN結區的溫度定義為L(cháng)ED的結溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。

　　窗口層襯底或結區的材料以及導電的銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻值相互壘加，構成LED的串聯(lián)電阻。當電流流過(guò)PN結時(shí)，同時(shí)也會(huì )流過(guò)這些電阻，從而也會(huì )產(chǎn)生焦爾熱，引起芯片溫度或結溫升高；由于LED芯片材料于周?chē)橄啾?，具有大得多的折射系數，致使芯片內部產(chǎn)生的大部分光無(wú)法順利地溢出界面，而在芯片與介質(zhì)界面產(chǎn)生全反射，返回芯片內部并通過(guò)多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結溫升高。

　　4、為什么LED PN結上溫度升高會(huì )引起它的光電參數退化？

　　PN結作為雜質(zhì)半導體在其工作過(guò)程中，同樣存在雜質(zhì)電離、本征激發(fā)、雜質(zhì)散射和晶格散射等問(wèn)題，從而使復合栽流子轉換成光子的數量和效能發(fā)生變化。當PN結的溫度（例如環(huán)境溫度）升高時(shí)，PN結內部雜質(zhì)電離加快，本征激發(fā)加速。當本征激發(fā)產(chǎn)生的復合載流子的濃度遠遠超過(guò)雜質(zhì)濃度時(shí)，本征載流子的數量增大的影響較之遷移率減小的半導體電阻率變化的影響更為嚴重，導致內量子效率下降，溫度升高又導致電阻率下降，使同樣IF下，VF降低。如果不用恒流源驅動(dòng)LED，則VF降將促使IF指數式增加，這個(gè)過(guò)程將使LED PN 結上溫升更加快，最終溫升超過(guò)最大結溫，導致LED PN結失效，這是一個(gè)正反饋的惡性過(guò)程。

　　PN結上溫度升高，使半導體PN結中處于激發(fā)態(tài)的電子?空穴復合時(shí)從高能級向低能級躍遷時(shí)發(fā)射出光子的過(guò)程發(fā)生退化。這是由于PN結上溫度升高時(shí)，半導體晶格的振幅增大，使振動(dòng)的能量也發(fā)生增加，當它超過(guò)一定值時(shí)，電子?空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)回與晶格原子（或離子）交換能量，于是成為無(wú)光子輻射的躍遷，LED的光學(xué)性能退化。

　　另外，PN結上溫度升高還會(huì )引起雜質(zhì)半導體中電離雜質(zhì)離子所形成的晶格場(chǎng)使離子能級裂變，能級分裂受PN結溫度影響，這就意味著(zhù)由于溫度影響晶格振動(dòng)，使其晶格場(chǎng)的對稱(chēng)性發(fā)生變化，從而引起能級分裂，導致電子躍遷時(shí)產(chǎn)生的光譜發(fā)生變化，這就是LED發(fā)光波長(cháng)隨PN 結溫升而變化的原因。

　　綜合上述，LEN PN結上溫升會(huì )引起它的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能的變化，過(guò)高的溫升還會(huì )引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴重時(shí)導致LED失效，所以降低PN結溫升，是應用LED的重要關(guān)鍵所在。

　　5、為什么說(shuō)提高光效可降低結溫？

　　通常將單位輸入電功率所產(chǎn)生的光能稱(chēng)之為光電轉換效率簡(jiǎn)稱(chēng)光效。根據能量守恒定律，LED的輸入功率最終將通過(guò)光與熱兩種形式釋放出來(lái)，光效越高放出的熱量越少，LED芯片的溫升就越小，這就是提高光效可降低結溫的基本原理。

　　6、如何實(shí)現LED的調光、調色？

　　由于LED的發(fā)光強度IV（或光輻射通量）與它的工作電流IF在一定電流范圍內呈縣性關(guān)系，即隨著(zhù)電流IF增大，IV也隨之增大，因此，改變LED的IF，就可以改變它的發(fā)光強度，實(shí)現調光。

　　由色度學(xué)原理可以知道，如果將紅、綠、藍三原色作混合，在適當的三原色亮度比的組合下，理論上可以獲得無(wú)數種色彩，這就可以用三種發(fā)光波長(cháng)的LED，只要具有例如：470nm（藍色）、525 nm（綠色）和620 nm（紅色）的三種波長(cháng)的LED通過(guò)點(diǎn)亮和IF控制，就可以實(shí)現色彩的調控，即調色。

　　7、什么是靜電破壞？哪些類(lèi)型的LED容易受靜電破壞導致失效？

　　靜電實(shí)際是由電荷累積構成。人們在日常生活中，特別是在干燥天氣環(huán)境中，當用手去觸摸門(mén)窗類(lèi)物品時(shí)會(huì )感覺(jué)“觸電”，這就是門(mén)窗類(lèi)物品靜電積累到一定程度時(shí)對人體的“放電”。對于羊毛織品、尼龍化纖物品，靜電積累的電壓可高達一萬(wàn)多伏特，電壓十分高，但靜電功率不大，不會(huì )威脅生命，然而對于某些電子器件卻可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基構成的器件，由于是寬禁帶半導體材料，它的電阻率較高，對于InGaN/AlGaN/GaN的雙異質(zhì)結藍色光LED，其InGaN的有源層的厚度一般只有幾十納米，再由于這種LED的兩個(gè)正、負電極在芯片同一面上，之間距離很小，若兩端的靜電電荷累積到一定值時(shí)，這一靜電電壓會(huì )將PN擊穿，使其漏電增大，嚴重時(shí)PN結擊穿短路，LED失效。

　　正因為存在靜電威脅，對于上述結構的LED芯片和器件在加工過(guò)程中對加工廠(chǎng)地、機器、工具、儀器，包括員工服裝均要采取防靜電措施，確保不損傷LED。另外，在芯片和器件的包裝上也要采用防靜電材料。