征服LED之不得不看的重要概念

照度和色溫的變化

　　最近，按照一天內(nèi)的時間變化及季節(jié)進(jìn)行調(diào)光的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)。例如，日本岡村制作所上市了使用LED進(jìn)行細(xì)微調(diào)整的照明系統(tǒng)。特點(diǎn)是具有可隨著人體生物鐘按照約一天周期有規(guī)律地改變照度和色溫的功能。預(yù)設(shè)了調(diào)光程序，對1年中每一天，可按照時間和季節(jié)的變化，使照度在400～800lx范圍內(nèi)分5個階段、色溫在3000～5000K范圍內(nèi)分5個階段而變化。這樣便可按照人們早上醒來、白天活動、夜晚睡眠的自然環(huán)境進(jìn)行周期性調(diào)光。人們有了更加舒適的光照環(huán)境，能夠更有效地工作。

演色性（color rendition）

　　指利用照明器具的光照射物體時，反映以何種程度再現(xiàn)了與自然光照射時相同顏色的指標(biāo)。一般情況下，多使用平均演色性指數(shù)（Ra）來表示。平均演色性指數(shù)越接近100的光源，越能再現(xiàn)與自然光照射時相同的顏色。作為照明用途，普通家庭和辦公室室內(nèi)使用的照明器具的Ra為80以上、走廊等為70以上；美術(shù)館、物品檢驗以及店鋪等注重演色性的用途，大多在90以上。

　　用于照明的白色LED，大體分為低Ra和高Ra品種。演色性與發(fā)光效率具有此消彼長的關(guān)系，優(yōu)先考慮演色性，發(fā)光效率會降低20～30％。為此，出現(xiàn)了發(fā)光效率優(yōu)先和演色性優(yōu)先的不同品種。演色性高的光，其光譜接近自然光。也就是說，發(fā)光強(qiáng)度相對于發(fā)光波長的變化較??；而發(fā)光效率高的光，在人眼視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）高的領(lǐng)域（550nm附近的峰值），其發(fā)光峰值較大。

　　例如，組合藍(lán)色LED芯片和黃色熒光體得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加紅色熒光體等即可將Ra提高到80以上。Ra超過90的白色LED則是出于使發(fā)光光譜的變化更加平滑的目的，而對藍(lán)色LED組合使用了綠色熒光體和紅色熒光體等。此外，對近紫外LED組合使用紅色、綠色和藍(lán)色等多種熒光體，可獲得Ra超過90的白色LED。

高效率、高演色LED

　　目前使用藍(lán)寶石底板的藍(lán)色LED和黃色熒光體等白色led封裝是主流，但三菱化學(xué)計劃通過組合采用m面-GaN底板的近紫外LED和紅/綠/藍(lán)色（RGB）熒光體來實(shí)現(xiàn)高效率、高演色的LED。

　　Ra是對普遍存在的、有代表性的8種顏色的演色性指數(shù)（將待評測照明光源照射物體時的顏色與基準(zhǔn)光源照射時的顏色相比較的值）的平均值。計算演色性指數(shù)的8種代表性顏色為：暗灰色、暗黃色、深黃綠色、黃綠色、淡藍(lán)綠色、淡藍(lán)色、淡紫色、紅紫色。

調(diào)光（dimming）

　　將光源發(fā)出的光調(diào)節(jié)為希望的亮度的做法。LED與白熾燈一樣，比熒光管更容易進(jìn)行微細(xì)調(diào)光。通過在點(diǎn)亮LED的電源電路中，改變輸入LED的電流大小和占空比（導(dǎo)通時間與截至?xí)r間之比）來調(diào)節(jié)亮度。

　　如同利用滑線電阻調(diào)壓器調(diào)節(jié)白熾燈亮度一樣，LED照明也能實(shí)現(xiàn)所希望的亮度，目前已經(jīng)開發(fā)出了具備調(diào)光功能的產(chǎn)品。除了埋入天花板等的LED照明器具外，LED燈泡中也有利用遙控器進(jìn)行調(diào)光的產(chǎn)品。組合使用光傳感器，根據(jù)外光的亮度自動調(diào)光的LED照明器具也已經(jīng)面世。

　　液晶面板的LED背照燈的調(diào)光是指，整體調(diào)節(jié)LED背照燈的發(fā)光，或者對背照燈進(jìn)行部分控制。通過根據(jù)液晶面板顯示的影像控制LED的發(fā)光，能夠在確保峰值亮度的同時，降低較暗部分的亮度。例如，東芝的“CELL REGZA 55X1”液晶電視配備了直下型白色LED背照燈。針對輸入影像對512個領(lǐng)域（16×32）的LED發(fā)光情況分別進(jìn)行控制。通過使領(lǐng)域內(nèi)配備的多個白色LED以最大亮度發(fā)光，峰值亮度實(shí)現(xiàn)了1250cd/m2，影像顯示時的對比度實(shí)現(xiàn)了500萬比1。

光效下降現(xiàn)象（LED droop）

　　光效下降現(xiàn)象是指，向芯片輸入較大電力時LED的發(fā)光效率反而會降低的現(xiàn)象。作為有助于削減單位光通量成本的技術(shù)，各LED廠商都在致力于抑制光效下降現(xiàn)象。如果能抑制該現(xiàn)象，使用相同的芯片，在輸入較大的電力時會增加光通量。因此，可減少用于獲得相同光通量的芯片數(shù)，從而削減單位光通量的成本。

　　美國飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）等很早就開始研究如何抑制光效下降現(xiàn)象?，F(xiàn)在，日亞化學(xué)工業(yè)和德國歐司朗光電半導(dǎo)體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）等眾多LED廠商也開始傾力研究。各LED廠商打算把在輸入電流1A，輸入功率3W時明顯出現(xiàn)光效下降現(xiàn)象的電流和功率的領(lǐng)域擴(kuò)大約3倍。

抑制“光效下降現(xiàn)象”
作為削減單位光通量成本的方法，各LED廠商紛紛致力于抑制“光效下降現(xiàn)象”。

　　各LED廠商均沒有公布光效下降現(xiàn)象的發(fā)生原理及其抑制方法的詳情。然而，有廠商透露，芯片的發(fā)熱及電流集中等若干參數(shù)與光效下降現(xiàn)象有關(guān)。例如，輸入較大電力時，芯片的光發(fā)生量增多，同時發(fā)熱也增多。這種發(fā)熱會使芯片內(nèi)部的量子效率惡化，從而導(dǎo)致光效下降現(xiàn)象。因此，有LED廠商認(rèn)為，為抑制光效下降現(xiàn)象，采用散熱性高的封裝構(gòu)造，即使輸入較大電力芯片溫度也不會上升的改進(jìn)會對抑制光效下降現(xiàn)象有效。另外，有觀點(diǎn)認(rèn)為，如果LED芯片內(nèi)的電流密度變大，就容易引發(fā)光效下降現(xiàn)象。

量子阱（quantum well）

　　利用帶隙較寬的層夾住帶隙窄且極薄的層形成的構(gòu)造。帶隙較窄的層的電勢要比周圍（帶隙較寬的層）低，因此形成了勢阱（量子阱）。在LED和半導(dǎo)體激光器中，量子阱構(gòu)造用于放射光的活性層。重疊多層量子阱的構(gòu)造被稱為多重量子阱（MQW：multiquantum well）。

　　藍(lán)色LED等是通過改良量子阱構(gòu)造等GaN類結(jié)晶層的構(gòu)造取得進(jìn)展的。GaN類LED在成為MIS（metal-insulatorsemiconductor）構(gòu)造，pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造，采用單一量子阱的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造以及采用多重量子阱的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的過程中，其亮度和色純度得到了提高。采用MIS構(gòu)造的藍(lán)色LED在還沒有實(shí)現(xiàn)p型GaN膜時，就被廣泛開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。缺點(diǎn)是光強(qiáng)只有數(shù)百mcd。p型GaN膜被造出來之后，采用pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的藍(lán)色LED得以實(shí)現(xiàn)。與MIS構(gòu)造相比，發(fā)光亮度達(dá)到了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱構(gòu)造來取代pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造，發(fā)光光度和色純度會進(jìn)一步提高（發(fā)光光譜的半值幅度變窄）。

GaN類藍(lán)色發(fā)光二極管的構(gòu)造變遷
（a）為采用MIS（metal-insulator-semiconductor）構(gòu)造的藍(lán)色LED。
（b）為采用多重量子阱（MQW ：multi quantum well）構(gòu)造的藍(lán)色LED。

　　雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造是指在LED和半導(dǎo)體激光器等中，在活性層的兩側(cè)設(shè)置了能隙比活性層還要大的包覆層的構(gòu)造。可獲得將電子和空穴封閉在活性層內(nèi)的效果。所以發(fā)光元件采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的話，可提高光輸出。另外，只在活性層的一側(cè)設(shè)置能隙較大的包覆層的構(gòu)造被稱為單異質(zhì)結(jié)。

接合溫度（junction temperature）