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白光LED光效的分析

2014-3-11  来源:东南大学  作者:杨正名   有2730人阅读

当前结构的白光LED的发光过程是分两步进行的,电源接通后首先是LED芯片中的载流子复合发光,芯片发射的蓝光光子通过输出窗口的荧光粉涂层时,其中部分蓝光光子直接透射通过,其余部分蓝光光子则量子下转换为黄光,所以白光LED光源输出蓝、黄光混合的准白光。

  1 白光LED运转的原理过程

  当前结构的白光LED的发光过程是分两步进行的,电源接通后首先是LED芯片中的载流子复合发光,芯片发射的蓝光光子通过输出窗口的荧光粉涂层时,其中部分蓝光光子直接透射通过,其余部分蓝光光子则量子下转换为黄光,所以白光LED光源输出蓝、黄光混合的准白光。

  2 LED芯片中的载流子复合发光

  LED芯片的发光过程就是芯片中的载流子复合过程。电源接通后芯片中n型半导体层内的自由电子在阻挡层电场加速下进入p型半导体层,并与其中的空穴复合(见图1),同时以光子的形式释放从阻挡层电场获得的全部能量再加上自由电子自身原有的动能。若阻挡层电势差为V、电子电荷为e,电子原有的动能mv2/2,则载流子复合时放出的光子能量为二者之和、即eV+mv2/2,由于自由电子原先具有的动能并不一致,其规律符合费密分布。所以LED辐射的蓝光光谱为有一定带宽,其中心波长与阻挡层电位差相当,而带宽则由自由电子动能决定。

  图1 载流子复合发光

  当前发射蓝光的LED芯片普遍采用的材料是GaN,这种LED芯片的阻挡层电势为V≈2.62-2.74eV,与材料、结构、外延工艺、处理温度、工作环境和工作温度等有关。图2中给出了以GaN为材料的LED 芯片的原理结构。

  图2 LED的原理结构

  由于LED的阻挡层电势为2.62至2.74eV,所以发射中心波长为450nm-470nm的蓝光谱带,该发射光谱如图3。图3表明该蓝光谱带很窄,而且整个谱带处于视见函数低于0.1的区域,光效很低。这种低光效、低显色的蓝光谱带是不可能直接用于普通照明的。

  图3 LED发射的蓝光光谱

  3 白光LED中荧光粉的光量子下转换

  白光LED实际是利用LED发射的部分蓝光激发黄光荧光粉,产生一定份额的黄光,从而得到蓝黄光混合的准白光。此种白光LED发射的光谱表明在图4中。由该光谱可见其中缺少绿光和红光,特别是红光所占份额太少,所以白光LED的显色指数较低,色温较高。

  图4 蓝光LED激发黄光荧光粉的混合光谱

  调节荧光粉涂层厚度可调节蓝、黄光比例,从而调节所辐射的准白光的光效和色温。这一试验结果表明在图5及表1中。试验中四种样品的荧光粉涂层厚度依次递增约15%,结果表明试验III的荧光粉涂层厚度适中,所得光效、显色指数和色温均远较其它厚度为佳(稳定工作时约40lm/w),并与实际产品参数相近。当荧光粉涂层偏薄时(I、II)黄光成份太少,色温很高,光效和光通量都很低。而当荧光粉涂层过厚时(IV),虽然低光效的蓝光全部转换为视见函数很高的黄光,蓝光从光谱中完全消失,光通量理应较高,但实际的光通量反而大幅下降了。这表明荧光粉涂层在进行光量子下转换的同时还吸收了较大份额的蓝、黄光。涂层愈厚,光量子下转换愈彻底,但被吸收的光子也愈多。当涂层超过最佳厚度时光通输出自然降低了,所以荧光粉涂层厚度须严格控制,否则灯参数特别是光效将受较大影响。

  图5 荧光粉厚度对光参数的影响

  表1 荧光粉厚度对光参数的影响

 

编辑:Cedar

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