LED效率下降的原因是什麼?會對LED性能造成怎樣的影響

LED效率下降的原因是什麼？會對LED性能造成怎樣的影響

電子設計 發表於 2019-03-01 09:34:00

LED在低電流（僅幾十毫安）下最有效地工作。隨著電流的增加，效率逐漸降低，這種現象被稱為「效率下降」。出於實際原因，LED照明行業使用的驅動電流遠遠高於效率最佳的驅動電流。 LED製造商熱衷於解決這一妥協，但科學家們發現很難確定效率損失的原因。

本文介紹了效率下垂對LED性能的影響，並介紹了兩種流行的理論。

光輸出的交易效率

由於相當隨意的原因，高亮度LED產業已經確定了350 mA的正向電流作為其產品的事實標準。這種選擇的原因主要在於它是1mm²晶片通常消耗1 W的驅動電流（實際耗散通常接近1.25 W）。

在高亮度LED的早期階段，280 mA的正向電流更為典型，而今天許多晶片的正向電流高於350 mA。然而，280 mA，350 mA和更高電流都不能接近為高亮度LED供電的最有效正向電流。由於效率（通常被稱為流明/瓦特或lm/W）引起了業界的興趣，這似乎令人驚訝。

高亮度LED在幾十毫安時達到峰值效率，此後，它都處於下坡狀態。圖1顯示了單個LED（加上一對和三個串聯設備）的效率和正向電流（ILED）之間的關係。對於單個器件（在這種情況下是Maxim晶片），效率在75 mA時達到70％，在350 mA時緩慢下降到59％。

圖1：隨著正向電流的增加，LED效率會緩慢下降。

那麼為什麼高亮度LED部門不建議晶片以最有效的方式運行？原因是雖然它們運行良好，但LED在低正向電流下不能產生足夠的光。燈芯必須高得多才能產生有用的輸出：350 mA是光輸出，效率和壽命之間的良好折衷（將驅動電流增加到高於此水平可能會升高結溫，從而導致LED壽命受損）。

LED製造商正在努力了解效率下降的根本原因，以便他們能夠在首選工作點提高性能。雖然物理限制可能會阻止效率下降完全消除，但如果超過峰值時的下降速度可以降低，則問題將得到部分緩解。

不幸的是，很難確定究竟發生了什麼。

效率下降的原因

科學家們在研究這個問題時的早期懷疑是，溫度升高會影響效率下降。當然，提高LED的結溫並不是一件好事，因為它縮短了器件的使用壽命。

事實證明，熱量不是罪魁禍首。圖2顯示了不同散熱器溫度下測得的外量子效率（EQE）和光輸出功率與正向電流的關係。可以看出，隨著溫度的升高，所有電流的EQE都會降低，並且在所有溫度下都會出現效率下降現象。然而，隨著電流增加（即，效率圖的斜率更陡），峰值效率在較低溫度下更快地降低。

這意味著下垂的幅度實際上隨著溫度的升高而降低。結果導致科學家得出結論，雖然溫度升高會顯著降低整體效率，但溫度不會升高 - 因此，不是效率下降的根本原因。

圖2：GaInN多量子阱LED在25°至150°C的散熱片溫度下的外量子效率與電流的關係。

我們需要超越溫度來尋找問題的根源。

不幸的是，雖然溫度已經消除，但沒有明確的選擇。然而，有兩個有希望的理論：電子洩漏和俄歇複合。

由於LED效率穩固地存在於量子物理領域，因此理論並不容易理解。例如，最近的一篇學術論文states指出，在LED的多量子阱有源區和電子阻擋層中的較高驅動電流下發生的極化場增強了注入電子洩漏到p型GaN層中，導致效率下降。簡而言之，這意味著與較高電流相關的物理效應將電子推出複合區，因此它們永遠不會有機會遇到空穴並釋放光子。

在一個相關的理論中，其他人聲稱效率下降的來源涉及過多的隧穿電流，降低了載流子注入效率.2換句話說，許多電子首先不會進入複合區。

另一種方法聲稱理解效率下垂的關鍵是一個稱為直接俄歇重組的過程。這通常涉及電子和空穴複合，而不是發射光子，能量被轉移到第三載體。由於該過程涉及三個載流子，因此在較高電流降低效率時常見的高載流子密度下問題會變得更糟。但計算表明，這種現象無法解釋所有觀察到的效率下降。但是，另一組研究人員現在聲稱直接和間接俄歇重組的組合確實使得總和增加了。該過程又複雜，並且涉及電子 - 聲子耦合和合金散射（或庫侖散射）的帶電缺陷（聲子是LED晶格振動的量子描述）。電子 - 聲子耦合在氮化物半導體中特別強。發生合金散射是因為InGaN的晶體結構不均勻。將兩種形式的俄歇複合加在一起近似於實驗觀察到的效率降低。

最小化下垂量

在沒有對效率下垂原因的明確答案的情況下，設計工程師需要仔細選擇LED和操作參數，以儘量減少其影響。從理論上講，這意味著要特別密切關注設備的最大效率和超出該點的效率下垂曲線的梯度。斜率越淺，隨著正向驅動電流的增加，效率越低。然而，實際上這種信息很難獲得，因為製造商傾向於關注特定測試電流下的單個（lm/W）數字，而不是在整個電流範圍內提供信息。例如，Cree最近發布了其XLamp MT-G LED（圖3），該LED具有EasyWhite LED，可滿足35瓦和50瓦滷素改裝燈的高流明，小尺寸要求。該器件採用一系列LED，總輸出功率為1265流明，效率為75流明/瓦，1.1 A顯示產品。

圖3：Cree的XLamp MT-G LED。

首爾半導體提供Z-Power系列LED，據稱適用於一般照明應用，定製設計解決方案和汽車大型LCD背光源。該器件在350 mA的正向電流下輸出100 lm，效率約為110 lm/W.此外，東芝的TL19W01系列高光通量白光LED為設計工程師提供了另一種照明應用選擇。這些器件在350 mA的正向電流下提供110 lm，效率為111 lm/W.

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