LED效率下降的原因是什么？會(huì)對(duì)LED性能造成怎樣的影響

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(xiàn)象被稱為“效率下降”。出于實(shí)際原因，LED照明行業(yè)使用的驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于效率最佳的驅(qū)動(dòng)電流。 LED制造商熱衷于解決這一妥協(xié)，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很難確定效率損失的原因。

本文介紹了效率下垂對(duì)LED性能的影響，并介紹了兩種流行的理論。

光輸出的交易效率

由于相當(dāng)隨意的原因，高亮度LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)確定了350 mA的正向電流作為其產(chǎn)品的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。這種選擇的原因主要在于它是1mm2芯片通常消耗1 W的驅(qū)動(dòng)電流（實(shí)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，而今天許多芯片的正向電流高于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。由于效率（通常被稱為流明/瓦特或lm/W）引起了業(yè)界的興趣，這似乎令人驚訝。

高亮度LED在幾十毫安時(shí)達(dá)到峰值效率，此后，它都處于下坡?tīng)顟B(tài)。圖1顯示了單個(gè)LED（加上一對(duì)和三個(gè)串聯(lián)設(shè)備）的效率和正向電流（ILED）之間的關(guān)系。對(duì)于單個(gè)器件（在這種情況下是Maxim芯片），效率在75 mA時(shí)達(dá)到70％，在350 mA時(shí)緩慢下降到59％。

圖1：隨著正向電流的增加，LED效率會(huì)緩慢下降。

那么為什么高亮度LED部門(mén)不建議芯片以最有效的方式運(yùn)行？原因是雖然它們運(yùn)行良好，但LED在低正向電流下不能產(chǎn)生足夠的光。燈芯必須高得多才能產(chǎn)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(qū)動(dòng)電流增加到高于此水平可能會(huì)升高結(jié)溫，從而導(dǎo)致LED壽命受損）。

LED制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(diǎn)提高性能。雖然物理限制可能會(huì)阻止效率下降完全消除，但如果超過(guò)峰值時(shí)的下降速度可以降低，則問(wèn)題將得到部分緩解。

不幸的是，很難確定究竟發(fā)生了什么。

效率下降的原因

科學(xué)家們?cè)谘芯窟@個(gè)問(wèn)題時(shí)的早期懷疑是，溫度升高會(huì)影響效率下降。當(dāng)然，提高LED的結(jié)溫并不是一件好事，因?yàn)樗s短了器件的使用壽命。

事實(shí)證明，熱量不是罪魁禍?zhǔn)住D2顯示了不同散熱器溫度下測(cè)得的外量子效率（EQE）和光輸出功率與正向電流的關(guān)系。可以看出，隨著溫度的升高，所有電流的EQE都會(huì)降低，并且在所有溫度下都會(huì)出現(xiàn)效率下降現(xiàn)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(shí)際上隨著溫度的升高而降低。結(jié)果導(dǎo)致科學(xué)家得出結(jié)論，雖然溫度升高會(huì)顯著降低整體效率，但溫度不會(huì)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(guān)系。

我們需要超越溫度來(lái)尋找問(wèn)題的根源。

不幸的是，雖然溫度已經(jīng)消除，但沒(méi)有明確的選擇。然而，有兩個(gè)有希望的理論：電子泄漏和俄歇復(fù)合。

由于LED效率穩(wěn)固地存在于量子物理領(lǐng)域，因此理論并不容易理解。例如，最近的一篇學(xué)術(shù)論文states指出，在LED的多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層中的較高驅(qū)動(dòng)電流下發(fā)生的極化場(chǎng)增強(qiáng)了注入電子泄漏到p型GaN層中，導(dǎo)致效率下降。簡(jiǎn)而言之，這意味著與較高電流相關(guān)的物理效應(yīng)將電子推出復(fù)合區(qū)，因此它們永遠(yuǎn)不會(huì)有機(jī)會(huì)遇到空穴并釋放光子。

在一個(gè)相關(guān)的理論中，其他人聲稱效率下降的來(lái)源涉及過(guò)多的隧穿電流，降低了載流子注入效率.2換句話說(shuō)，許多電子首先不會(huì)進(jìn)入復(fù)合區(qū)。

另一種方法聲稱理解效率下垂的關(guān)鍵是一個(gè)稱為直接俄歇重組的過(guò)程。這通常涉及電子和空穴復(fù)合，而不是發(fā)射光子，能量被轉(zhuǎn)移到第三載體。由于該過(guò)程涉及三個(gè)載流子，因此在較高電流降低效率時(shí)常見(jiàn)的高載流子密度下問(wèn)題會(huì)變得更糟。但計(jì)算表明，這種現(xiàn)象無(wú)法解釋所有觀察到的效率下降。但是，另一組研究人員現(xiàn)在聲稱直接和間接俄歇重組的組合確實(shí)使得總和增加了。該過(guò)程又復(fù)雜，并且涉及電子 - 聲子耦合和合金散射（或庫(kù)侖散射）的帶電缺陷（聲子是LED晶格振動(dòng)的量子描述）。電子 - 聲子耦合在氮化物半導(dǎo)體中特別強(qiáng)。發(fā)生合金散射是因?yàn)镮nGaN的晶體結(jié)構(gòu)不均勻。將兩種形式的俄歇復(fù)合加在一起近似于實(shí)驗(yàn)觀察到的效率降低。

最小化下垂量

在沒(méi)有對(duì)效率下垂原因的明確答案的情況下，設(shè)計(jì)工程師需要仔細(xì)選擇LED和操作參數(shù)，以盡量減少其影響。從理論上講，這意味著要特別密切關(guān)注設(shè)備的最大效率和超出該點(diǎn)的效率下垂曲線的梯度。斜率越淺，隨著正向驅(qū)動(dòng)電流的增加，效率越低。然而，實(shí)際上這種信息很難獲得，因?yàn)橹圃焐虄A向于關(guān)注特定測(cè)試電流下的單個(gè)（lm/W）數(shù)字，而不是在整個(gè)電流范圍內(nèi)提供信息。例如，Cree最近發(fā)布了其XLamp MT-G LED（圖3），該LED具有EasyWhite LED，可滿足35瓦和50瓦鹵素改裝燈的高流明，小尺寸要求。該器件采用一系列LED，總輸出功率為1265流明，效率為75流明/瓦，1.1 A顯示產(chǎn)品。

圖3：Cree的XLamp MT-G LED。

首爾半導(dǎo)體提供Z-Power系列LED，據(jù)稱適用于一般照明應(yīng)用，定制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工程師提供了另一種照明應(yīng)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.