电流对功率型白光LED光学参数的影响分析

      进入21世纪，随着半导体技术和封装技术的不断进步，长期用于指示和显示的半导体光源正向照明领域发展。以功率型白光LED为代表的半导体照明新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。获得白光LED常用的途径是在蓝光LED芯片表面上涂覆一层$荧光粉(YAG:Ce3+)。功率型LED与普通LED相比，芯片尺寸较大，需要更大的驱动电流，以发出更明亮的光，但伴随着产生更多的热量会对功率型白光LED的光学电学参数及器件的稳定性有影响。

　　目前，LED光学参数的测量方法在国内外还处在探讨之中，LED是一种电致发光器件，当电子与空穴发生辐射复合时，能量以光子形式发出，所以注入电流对LED发光的光学特性有直接影响。

　　1、对色坐标的影响

　　现在LED的发光颜色越来越丰富，LED的色坐标参数是LED重要的物理参数之一，随着注入电流的增加，器件出光的色坐标在一定程度上减小，如图1所示。

图1  色坐标随电流的变化

　　2、对色温的影响

　　当一黑体加热时，发出光的颜色与被测试光源光色相近时，该黑体的温度称为光源的相关色温。就目前常采用的实现白光的方案而言，当涂覆的$荧光粉较多时，出射的白光光谱中蓝光成分较少，器件色温较低;当$荧光粉较少时，出射的白光光谱中蓝光成分较多，色温较高。

图2  相关色温与正向电流的关系

　　从图2中可以看出，随着器件的驱动电流增加，功率型白光LED的色温从100mA电流时的5636K增加到350mA电流时的5734K。这是因为，电流加大后，芯片发出的蓝光增多，$荧光粉层的厚度是一定的，则在出射的白光中蓝光成份增加，从而使器件的色温增加。

　　3、对主波长的影响

　　在CIE1931色度图中，由标准白光点E(0.333，0.333)与测得的色坐标点连接并延伸，与380~760nm的光谱轨迹相交，交点所在处的波长即为该色坐标点的主波长。

　　随着电流增加，器件出光的主波长在减小，这是因为电流增加，色坐标减小，标准白光点和色坐标点的连线的延长线与380~760nm的光谱轨迹相交点对应的波长值变小。

图3  主波长与电流的关系曲线

图4  光通量与电流的关系曲线

　　4、对光通量的影响

　　发光二极管在调节光通量方面具有一定的优势，器件的光通量随着电流增加而增加，在100mA~250mA，光通量增加率为126.2%;从250mA~350mA时，电流的增加辐度较小且呈非线性增加，增加率为30.4%。PN结是发光二极管的部分，电流增加后，注入到发光区的电子和空穴数量增加，发生辐射复合的数量也会增加，器件的光通量增加。但当注入电流继续增加到某一值时，光通量输出不再增加，趋于饱和。

图5  电流对发光效率的影响

　　5、对发光效率的影响

　　当电流增加时，注入发光区的电子发生非辐射复合的几率变大，使器件的内量子效率降低，同时，由于电流增加导致器件的温度升高，使荧光粉的量子效率降低并进一步增加了非辐射复合的几率。在图5中，由于驱动电流在正常的工作电流内，器件的发光效率虽有一定的降低，但变化的幅度并不大。

　　6、对峰值波长的影响

　　在LED发光谱中，峰对应的波长称为LED的峰值波长。在测试峰值波长时，都是点亮1分钟后才开始测试的，这是由于同时考虑了时间和电流的影响，长时间加热导致了峰值波长向长波方向偏移，而电流的增加使峰值波长向短波方向偏移。蓝光LED器件都是以GaN基制成的，GaN基发光器件稳定性较好，在热平衡时，不同的电流，器件发光峰位置几乎不变。

　　7、对显色指数的影响

　　显色指数(Ra)也是白色照明光源的一个重要指标，它是用来测量光源照到被照射物体上面，还原被照射物体所有颜色能力的指标，作为照明用的光源要求显色指数越高越好，一般要求80以上，国际照明委员会(CIE)推荐的参考光源是Planck黑体辐射体，日常生活中的白炽灯的显色指数接近100。

图6  电流对显色指数的影响

　　由于蓝光LED与$荧光粉组成的白光系统，其光谱中缺少红光成分，显色指数还不理想，这也是目前业界研究的重点课题。显色指数与光谱成分有关，电流增加但并不影响出光的光谱的分布，所以器件的显色指数几乎没有变化。

　　8、小结

　　LED是一种电致发光器件，器件发光的各光学参数与流过器件的电流有直接的关系。随着电流的增加，功率型白光LED的色温会有一定的升高，色坐标(x，y)小，光通量增加但发光效率降低。作为照明用的功率型白光LED的主要技术指标随电的变化而变化，但变化幅度不大，基本保持稳定，另外白光LED具有节能、长寿命和无污染等优点，所以白光LED是下一代照明光源的理想选择。