白光LED的工作原理与光电特性分析

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：白光LED的出现使LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。这些都是白光LED今后发展仍需努力的方向。近期，白光LED已达到单只功率超过1W，光输出为25lm，增强了它的实用性。目前白光LED在景观照明、庭园灯、汽车内部照明、中小尺寸的LCD背光源等方面已大量应用。对于照明用白光LED光源，更关心的是照明的视觉效果，辐射通量与器件的电功率之比表示白光LED的辐射效率。

自从LED出现以来，人们一直在努力寻找固体白光照明光源。随着LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，白光LED的性能不断完善并已进入实用阶段。白光LED的出现使LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。目前已商品化的圆头柱状白光LED大多是利用色互补关系产生仿真白光，结合了蓝光与黄光之间的色差，加上模拟光容易使人产生一种不协调感，此外无法获得高显色性（Ra>90），且大电流时会有色度偏差等问题。这些都是白光LED今后发展仍需努力的方向。

1.白光LED的原理

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光LED开发成功，这种白光LED是通过将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成的。GaN芯片发蓝光（λ_p＝465nm，W_d＝30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄光，峰值波长为550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层（200～500nm）。蓝光LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，便可以得到白光。

现在，对于InGaN-YAG白光LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温为3500～10000K的各种白光。白光LED的结构如图1-15所示。图1-16所示为白光LED和普通白炽灯的发光光谱，表1-2列出了目前白光LED的种类和发光原理。

图1-15 白光LED的结构示意图

图1-16 白光LED和普通白炽灯的发光光谱

表1-2 白光LED的种类和发光原理

从表1-2中可以看出，某些种类的白光LED光源离不开4种荧光粉，即三原色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉。在未来，较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加红、绿、蓝三原色荧光粉，但此三原色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

采用白光LED光源进行照明，将首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场推广，将会节约大量的电能。近期，白光LED已达到单只功率超过1W，光输出为25lm，增强了它的实用性。表1-3列出了白光LED的长远发展目标。

表1-3 单只白光LED长远发展目标

白光LED的特点：白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽灯及荧光灯相比，白光LED具有体积小（多只、多种组合）、发热量低（没有热辐射）、耗电量小（低电压、小电流启动）、寿命长（10000h以上）、反应速度快（可以高频操作）、环保（耐振、耐冲击，不易破，废弃物可回收，没有污染）、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯高耗电、易碎及荧光灯废弃物含汞等缺点。白光LED与现行照明设备的比较见表1-4。白光LED是被业界看好的在未来10年内成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

表1-4 白光LED与现行照明设备的比较

目前，白光LED仍处于发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有白炽灯、荧光灯的缺点，价格过高是其未能普及的主要原因。未来白光LED的应用市场将非常广阔，包括手电筒、装饰灯、LCD背光源、汽车照明市场、投影灯光源等，不过最被看好的市场以及最大的市场还是通用照明市场。

白光LED亮度和功率的每一次提高都进一步扩展了它的应用范围。目前白光LED在景观照明、庭园灯、汽车内部照明、中小尺寸的LCD背光源等方面已大量应用。若白光LED以1 lm/个为单位，则每单位降到1元时将进入一般家庭的户外照明市场，降到0.5元时可望进入室内照明、走廊照明等市场，降到0.25元时将开始置换荧光灯。从发光效率看，一旦达到60 lm/W（相当于20W的荧光灯），白光LED将迅速普及。在未来几年中，白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，正式担当21世纪的照明新光源。

2.白光LED的光电特性

（1）白光LED的电流/电压参数（正、反向）

白光LED具有典型的PN结伏安特性，通过的电流直接影响白光LED的发光亮度和PN结的温度。在照明应用中，为了获得大功率的白光LED，往往将许多LED芯片通过一定的串并联方式组合在一起，相关的各个白光LED的特性必须匹配，在交流工作状态下还必须考虑其反向电特性。因此，必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降，以及反向漏电流和反向击穿电压等参数。

（2）白光LED的光通量和辐射通量

白光LED在单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率（W）。对于照明用白光LED光源，更关心的是照明的视觉效果，辐射通量与器件的电功率之比表示白光LED的辐射效率。

（3）白光LED的光强分布曲线

光强分布曲线用于表示LED发出的光在空间各方向的分布状态。在照明应用中，计算工作面的照度均匀性和LED的空间布置时，光强分布是最基本的数据。对于空间光束为旋转对称型分布的LED，用一个过光束轴平面的曲线表示即可；对光束为椭圆形分布的LED，则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示；对于非对称的复杂图形，一般用过光束轴的6个以上截面的平面曲线来表示。

（4）白光LED的光谱功率分布

白光LED的光谱功率分布表示了辐射功率随波长变化的函数，它既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及显色指数。通常相对光谱功率分布用S（λ）表示，光谱功率沿峰值两边下降到其值的50%时，所对应的两个波长之差（Δλ＝λ₂-λ₁）即为光谱带。

（5）白光LED的色品坐标

对于三原色红（R）、绿（G）、蓝（B），x＝R/（R+G+B），y＝G/（R+G+B），z＝B/（R+G+B）。由于x+y+z＝1，所以只需给出x和y的值，就能惟一地确定一种颜色，这就是通常所说的色度图。若以x、y作为平面坐标系，用比色实验法测出自然界中各种色彩的x、y值，并将其绘在该坐标平面内，便可得到色度图。该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调，而曲线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色。其中，白光区域的特征点A、B、C、D、E的色坐标值和色温见表1-5。

表1-5 特征点对应的色坐标值和色温

（6）白光LED的色温和显色指数

对于白光LED等发光颜色基本为白光的光源，用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色，但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起。人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”，比较炽白或稍偏蓝的称为“冷色”，因此，用色温来表示光源的光色会更加直观。光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，则称黑体的温度为该光源的色温（Color Temperature），单位为开（K）。对于白光LED，其发光颜色与各种温度下的黑体（完全辐射体）的色品坐标往往不可能完全相同，这时就不能用色温表示。为了便于比较，采用相关色温（CCT）的概念，也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近，即在1960CIE—UCS色品图上的色品差最小时，则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温。

用于照明工程的LED，尤其是白光LED，除表现颜色外，更重要的特性是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射（如日光）下的颜色是否一致，即所谓的显色特性。

1974年，CIE推荐用“试验色”法来定量评价光源的显色性，以测量参照光源照明和待测光源照明下标准色样的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性，用一个显色指数值来表示。CIE规定用完全辐射体或标准照明体作为参照光源，并将其显色指数定为100，还规定了若干测试用的标准色样。

在参照光源和待测光源下，根据上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏，光源对某一种标准色样的显色指数称为特殊显色指数，用R₁表示。

R₁＝（100～4.6）ΔE_i

式中 E_i——第i号标准色样在参照光源和待测光源下的色差。

CIE推荐的标准色样共有14种，其1～8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品，9～14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美人种的皮肤色和树叶绿色。对于在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。1985年我国制定了《光源显色性评价方法》标准，并增加了中国女性肤色的色样，作为第15种标准色样。这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要，光源对前8个色样的平均显色指数称为一般显色指数，用Ra表示。

白光LED的工作原理与光电特性分析

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