照明用大功率LED参数测量

张楼英 许金星 吴大军 崔一平

(1.江苏省中小企业电子产品创新工程技术研究开发中心，淮安 223003;2.淮安信息职业技术学院 电子工程系，淮安 223003;3.东南大学电子科学与工程学院，先进光电子中心，南京 210096)

1 引言

虽然可见光发光二极管 (后面称LED)的检测目前世界上还没有一个通用的标准，但一般公认LED最重要的性能指标是光学特性和电学特性。LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能参数，主要有光通量、辐射通量、发光效率、主波长、发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、色品坐标、相关色温、色纯度和显色指数等参数。显示用的LED，主要是视觉的直观效果，因此对相关色温和显色指数不作要求;而照明用的白光LED，色温和显色指数两个参数就尤为重要，它是照明气氛和效果的重要指标，而对色纯度和主波长一般没有要求。本文对不同批次的蓝、白光大功率LED进行了测试，分析了测试结果，并提出进一步工作建议。

白光LED的色坐标、显色指数、色温和发光效率与驱动电流、温度有关系。驱动电流的增加将引起蓝光波峰的红移，并随电流的增大而增大，而荧光粉与激发波长的不匹配可能会导致荧光粉的发光效率下降。

实验中用不同批次的大功率蓝、白光LED进行了测试。

2 实验

2.1 蓝光光谱与正向电流关系

实验使用积分球光电测量系统［1～2］。光谱分布曲线是指LED发光的相对强度 (能量)随波长变化的分布曲线，它由材料的种类性质及发光机制决定。通过蓝光、白光LED施加不同正向电流，观察其发光谱，结果如图1，图2所示。

如图1所示为不同正向电流时的大功率蓝光LED光谱分布，电流分别是336mA、380mA，可以看出曲线稍有偏移，右上角为局部放大图。在实验过程中，发现以336mA为基准，当正向电流为350mA、360mA，它们的光谱曲线重合，当正向电流为370mA时开始逐渐左移，而电流增加到380mA时曲线右移。

图1 不同正向电流的大功率蓝光LED光谱

图2 为不同正向电流的白光LED光谱分布，电流分别是325mA、380mA的白光光谱分布，右上角为局部放大图。在实验过程中，发现随着正向电流增加，从340mA开始逐渐右移，直到389mA仍处于右移状态。

图2 不同正向电流的大功率白光LED光谱

可以看到大功率蓝光LED的主波长随正向电流的增大有一定幅度的漂移，随着电流的增大，LED的发光波长先向短波长方向移动 (蓝移)［1－2］，但当电流增加380mA时，发光波长又会向长波长方向移动 (红移)［1－2］。蓝光 LED发光波长随注入电流的增大会蓝移，是由于载流子在导带 (或价带)内的弛豫时间比载流子寿命要短，因此多量子阱区的自由载流子增加，在一定程度上屏蔽了内建电场，从而使LED的峰值波长发生蓝移。而随着电流增大，使得P-N结温度升高，从而导致半导体带隙减小;并且随电流增大使得施主受主对俘获的电子空穴对增加，施主受主对能级逐渐变宽，辐射复合光子能量减小，这样的结果就是P-N结发光波长红移。这样一来在应用中将产生如下问题:(l)波长变化将为全彩色显示控制增加难度，同时光谱宽会导致色彩不纯，影响照明效果。(2)在照明领域，由于蓝光波长的变化将造成白光的颜色发生变化。

2.2 蓝光LED光通量、光效与电流关系

第一批、第二批蓝光LED光通量、光效与电流关系分别见表1、表2。

表1 第一批蓝光LED光通量、光效与电流关系

在光度学中，光通量定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量。LED的光通量的大小反应了LED光源所发出的光辐射所引起的人眼光亮感觉的能力，是描述LED总光输出的重要参数，也是LED性能优劣的根本标志。发光效能表示单位电功率下输出的光通量，它表示注入的电功率转化为出射的光辐射功率的效能。直接带隙半导体InGaN内电子-空穴复合，主要产生蓝光子发射。复合产生的光子数同注人的电子-空穴对数量成正比。对于较小的正向电流，其他一些作用，如陷阱、无辐射及结温等不利因素影响很小;随着注入电流增加，电子-空穴对数量增多并充分复合，复合效率高，蓝光发射光强度增强。随电流的增加，可能是LED中无辐射成份逐渐上升为主要矛盾，陷阱和有害中心作用逐渐显露和增强。当电流大时，相当多能量被晶格吸收，转变为热能，结温更高，以致使光辐射产生温度碎灭，半导体PN结温升，使载流子动能增大，可能易造成载流子泄漏等而使LED光通呈现饱和现象。蓝光LED的光通变化随正向电流增大而增大，其中相当多的能量被晶格吸收转变为热能耗。功耗的增加超过了光通的增大，故蓝光LED的光效随电流的增加而逐渐下降，实验中我们用不同批次的大功率蓝光LED作了相关实验，说明了这点。

表2 第二批蓝光LED光通量、光效与电流关系

2.3 白光LED光通量、光效与电流关系

第一批、第二批白光LED光通量、光效与电流关系分别见表3、表4。

表3 第一批白光LED光通量、光效与电流关系

表4 第二批白光LED光通量、光效与电流关系

如表3、表4所示，相对发光强度与注入电流基本呈亚线性关系，随着电流的增大，光强逐渐增大，相对光强的随电流变化增幅较为均匀，反应了载流子注入与辐射复合发光的关系。虽然LED的光通量随电流的增大而逐渐增大，但发光效率却逐渐减小，说明大功率LED的发光效率受注入电流的影响非常大，总光通量虽然变大了，但每瓦电功率所贡献的光通量却大幅减小。其原因是当电流较小时，注入的电流以空间电荷复合电流为主，缺陷位错等无辐射复合中心以及P-N结温对复合的影响较小;随着注入电流的增大，LED中的无辐射复合影响变大，杂质和缺陷的危害逐渐显露;当注入电流更大时，以扩散电流为主，由于P型载流子浓度不够高，导致过剩载流子转化效率不高，且大量载流子被无辐射复合中心俘获，能量被晶格吸收，结温更高，使光辐射产生温度猝灭。当功耗的增加超过了光通量的增加时，发光效率就随电流的增大而下降，这对器件的稳定性和寿命极为不利。因此为了减小无辐射复合中心对大注入电流的功率级 LED的危害，LED器件制作中必须要求外延生长出高质量的GaN晶体，减小由于晶格失配、外界杂质引入等因素导致的杂质缺陷中心的形成，文献［7］提到这点。

表3、表4中，第二批白光光通量和光效相对第一批白光大幅度提高，色坐标也更接近等能白，施加较小电流时色坐标更加接近等能白点，这和文献［8］提出光通时增加，色坐标增加趋势是一致的。色温也比第一批低了许多，更合适于照明使用。只是显色指数不太理想。由以上测试数据可以看出，第二批LED蓝、白光芯片具有较高的光通量和光效，具有使用价值。

2.4 白光LED的点亮实验

实验选用已工作2500小时的白光LED，进行持续点亮试验。测量在持续点亮过程中，白光LED的光学参数变化，见表5。

表5 持续点亮过程中，白光LED光学参数的变化

实验可以看出，在持续点亮过程中，光效不断下降，色温下降，红色比增大，显色指数增大。提示我们在使用大功率LED作为照明用灯时，不能作长明灯，应该作间歇使用。从实验结果看，间歇工作与持续工作相比，持续工作LED的明显对灯的性能损害更大，仅持续点亮340小时就使灯失效了。

3 结论

本文使用光电测试系统对同一厂家的不同批次的大功率蓝光、白光LED进行了光谱测试，测试时施加了不同的电流。施加不同电流的蓝、白光LED的光谱稍有偏移，蓝光是随电流增大先蓝移，后红移;白光是随电流增大不断红移，由此在应用注意选择合适的正向电流，否则，发光波长将会发生变化。同时我们注意到随电流增大，蓝光、白光LED光通量也非线性增加，光效却随正向电流的增加而减小，这点提示在使用时要注意选择合适的正向电流，从而兼顾光通量、光效，以取得最好的效果。实验中观察了白光的色坐标，注意到当加较小的正向电流时，白光LED色坐标更接近等能白点。进行了持续点亮试验，发现持续近100小时就可以让LED灯失效，建议使用持续使用LED时间不超24小时。

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