LED應用篇

1、單個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？

針對某一個特定的LED，加上規(guī)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LED，如施加的電功率Pe＝VF×IF，那么在這個功率下測得的輻射光通量折算為每瓦的流明值即為單個LED的流明效率。

但是，作為一個燈具，不論LED PN結(jié)上實際加上的功率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(wěn)壓器、穩(wěn)流源、交流整流成直流電源部分等）所消耗的功率。燈具中，驅(qū)動電路的存在使它的流明效率比測試單個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(qū)動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?光轉(zhuǎn)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。這種通過光?光轉(zhuǎn)換后不同波長的光的混合，會使它的波譜變寬，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，人眼對它的視覺函數(shù)應當是各種波長成分視覺函數(shù)的積分平均值，此值可以通過計算得到約為296lm，即這種白光LED，當發(fā)射出光功率1W的白光時，其輻射光通量約為296lm，這個數(shù)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(jié)溫？它是如何產(chǎn)生的？

LED的基本結(jié)構是一個半導體的PN 結(jié)。實驗指出，當電流流過LED器件時，PN結(jié)的溫度將上升，嚴格意義上說，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)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(jié)溫。

窗口層襯底或結(jié)區(qū)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PN結(jié)時，同時也會流過這些電阻，從而也會產(chǎn)生焦爾熱，引起芯片溫度或結(jié)溫升高；由于LED芯片材料于周圍介相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的大部分光無法順利地溢出界面，而在芯片與介質(zhì)界面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。

4、為什么LED PN結(jié)上溫度升高會引起它的光電參數(shù)退化？

PN結(jié)作為雜質(zhì)半導體在其工作過程中，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題，從而使復合栽流子轉(zhuǎn)換成光子的數(shù)量和效能發(fā)生變化。當PN結(jié)的溫度（例如環(huán)境溫度）升高時，PN結(jié)內(nèi)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雜質(zhì)濃度時，本征載流子的數(shù)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(nèi)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(qū)動LED，則VF降將促使IF指數(shù)式增加，這個過程將使LED PN 結(jié)上溫升更加快，最終溫升超過最大結(jié)溫，導致LED PN結(jié)失效，這是一個正反饋的惡性過程。

PN結(jié)上溫度升高，使半導體PN結(jié)中處于激發(fā)態(tài)的電子?空穴復合時從高能級向低能級躍遷時發(fā)射出光子的過程發(fā)生退化。這是由于PN結(jié)上溫度升高時，半導體晶格的振幅增大，使振動的能量也發(fā)生增加，當它超過一定值時，電子?空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時回與晶格原子（或離子）交換能量，于是成為無光子輻射的躍遷，LED的光學性能退化。

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

綜合上述，LEN PN結(jié)上溫升會引起它的電學、光學和熱學性能的變化，過高的溫升還會引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴重時導致LED失效，所以降低PN結(jié)溫升，是應用LED的重要關鍵所在。

5、為什么說提高光效可降低結(jié)溫？

通常將單位輸入電功率所產(chǎn)生的光能稱之為光電轉(zhuǎn)換效率簡稱光效。根據(jù)能量守恒定律，LED的輸入功率最終將通過光與熱兩種形式釋放出來，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(jié)溫的基本原理。

6、如何實現(xiàn)LED的調(diào)光、調(diào)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(nèi)呈縣性關系，即隨著電流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，實現(xiàn)調(diào)光。

由色度學原理可以知道，如果將紅、綠、藍三原色作混合，在適當?shù)娜炼缺鹊慕M合下，理論上可以獲得無數(shù)種色彩，這就可以用三種發(fā)光波長的LED，只要具有例如：470nm（藍色）、525 nm（綠色）和620 nm（紅色）的三種波長的LED通過點亮和IF控制，就可以實現(xiàn)色彩的調(diào)控，即調(diào)色。

7、什么是靜電破壞？哪些類型的LED容易受靜電破壞導致失效？

靜電實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，當用手去觸摸門窗類物品時會感覺“觸電”，這就是門窗類物品靜電積累到一定程度時對人體的“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多伏特，電壓十分高，但靜電功率不大，不會威脅生命，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(jié)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，這一靜電電壓會將PN擊穿，使其漏電增大，嚴重時PN結(jié)擊穿短路，LED失效。

正因為存在靜電威脅，對于上述結(jié)構的LED芯片和器件在加工過程中對加工廠地、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。