LED效率下降的原因是什么？会对LED性能造成怎样的影响

LED在低电流(仅几十毫安)下最有效地工作。随着电流的增加，效率逐渐降低，这种现象被称为“效率下降”。出于实际原因，LED照明行业使用的驱动电流远远高于效率最佳的驱动电流。 LED制造商热衷于解决这一妥协，但科学家们发现很难确定效率损失的原因。

本文介绍了效率下垂对LED性能的影响，并介绍了两种流行的理论。

光输出的交易效率

由于相当随意的原因，高亮度LED产业已经确定了350 mA的正向电流作为其产品的事实标准。这种选择的原因主要在于它是1mm²芯片通常消耗1 W的驱动电流(实际耗散通常接近1.25 W)。

在高亮度LED的早期阶段，280 mA的正向电流更为典型，而今天许多芯片的正向电流高于350 mA。然而，280 mA，350 mA和更高电流都不能接近为高亮度LED供电的最有效正向电流。由于效率(通常被称为流明/瓦特或lm/W)引起了业界的兴趣，这似乎令人惊讶。

高亮度LED在几十毫安时达到峰值效率，此后，它都处于下坡状态。图1显示了单个LED(加上一对和三个串联设备)的效率和正向电流(ILED)之间的关系。对于单个器件(在这种情况下是Maxim芯片)，效率在75 mA时达到70%，在350 mA时缓慢下降到59%。

图1：随着正向电流的增加，LED效率会缓慢下降。

那么为什么高亮度LED部门不建议芯片以最有效的方式运行?原因是虽然它们运行良好，但LED在低正向电流下不能产生足够的光。灯芯必须高得多才能产生有用的输出：350 mA是光输出，效率和寿命之间的良好折衷(将驱动电流增加到高于此水平可能会升高结温，从而导致LED寿命受损)。

LED制造商正在努力了解效率下降的根本原因，以便他们能够在首选工作点提高性能。虽然物理限制可能会阻止效率下降完全消除，但如果超过峰值时的下降速度可以降低，则问题将得到部分缓解。

不幸的是，很难确定究竟发生了什么。

效率下降的原因

科学家们在研究这个问题时的早期怀疑是，温度升高会影响效率下降。当然，提高LED的结温并不是一件好事，因为它缩短了器件的使用寿命。

事实证明，热量不是罪魁祸首。图2显示了不同散热器温度下测得的外量子效率(EQE)和光输出功率与正向电流的关系。可以看出，随着温度的升高，所有电流的EQE都会降低，并且在所有温度下都会出现效率下降现象。然而，随着电流增加(即，效率图的斜率更陡)，峰值效率在较低温度下更快地降低。

这意味着下垂的幅度实际上随着温度的升高而降低。结果导致科学家得出结论，虽然温度升高会显着降低整体效率，但温度不会升高 - 因此，不是效率下降的根本原因。

图2：GaInN多量子阱LED在25°至150°C的散热片温度下的外量子效率与电流的关系。

我们需要超越温度来寻找问题的根源。

不幸的是，虽然温度已经消除，但没有明确的选择。然而，有两个有希望的理论：电子泄漏和俄歇复合。

由于LED效率稳固地存在于量子物理领域，因此理论并不容易理解。例如，最近的一篇学术论文states指出，在LED的多量子阱有源区和电子阻挡层中的较高驱动电流下发生的极化场增强了注入电子泄漏到p型GaN层中，导致效率下降。简而言之，这意味着与较高电流相关的物理效应将电子推出复合区，因此它们永远不会有机会遇到空穴并释放光子。

在一个相关的理论中，其他人声称效率下降的涉及过多的隧穿电流，降低了载流子注入效率.2换句话说，许多电子首先不会进入复合区。

另一种方法声称理解效率下垂的关键是一个称为直接俄歇重组的过程。这通常涉及电子和空穴复合，而不是发射光子，能量被转移到第三载体。由于该过程涉及三个载流子，因此在较高电流降低效率时常见的高载流子密度下问题会变得更糟。但计算表明，这种现象无法解释所有观察到的效率下降。但是，另一组研究人员现在声称直接和间接俄歇重组的组合确实使得总和增加了。该过程又复杂，并且涉及电子 - 声子耦合和合金散射(或库仑散射)的带电缺陷(声子是LED晶格振动的量子描述)。电子 - 声子耦合在氮化物半导体中特别强。发生合金散射是因为InGaN的晶体结构不均匀。将两种形式的俄歇复合加在一起近似于实验观察到的效率降低。

最小化下垂量

在没有对效率下垂原因的明确答案的情况下，设计工程师需要仔细选择LED和操作参数，以尽量减少其影响。从理论上讲，这意味着要特别密切关注设备的最大效率和超出该点的效率下垂曲线的梯度。斜率越浅，随着正向驱动电流的增加，效率越低。然而，实际上这种信息很难获得，因为制造商倾向于关注特定测试电流下的单个(lm/W)数字，而不是在整个电流范围内提供信息。例如，Cree最近发布了其XLamp MT-G LED(图3)，该LED具有EasyWhite LED，可满足35瓦和50瓦卤素改装灯的高流明，小尺寸要求。该器件采用一系列LED，总输出功率为1265流明，效率为75流明/瓦，1.1 A显示产品。

图3：Cree的XLamp MT-G LED。

首尔半导体提供Z-Power系列LED，据称适用于一般照明应用，定制设计解决方案和汽车大型LCD背光源。该器件在350 mA的正向电流下输出100 lm，效率约为110 lm/W.此外，东芝的TL19W01系列高光通量白光LED为设计工程师提供了另一种照明应用选择。这些器件在350 mA的正向电流下提供110 lm，效率为111 lm/W.