白光LED能量轉(zhuǎn)換效率的研究 白光LED能量轉(zhuǎn)換效率的研究
因大部份人說：LED光效提高了，LED發(fā)熱就少了。特發(fā)上兩文澄清！
LED光效提高,熱減少？ LED能量轉(zhuǎn)換效率研究
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@xuchao888
過來學(xué)習(xí)一下
研究了1 W白光LED 能量轉(zhuǎn)換效率與工作電流、環(huán)境溫度和發(fā)光效能之間關(guān)系, 并對熒光粉涂敷前后白光LED 能量轉(zhuǎn)換效率的變化進行了分析。研究結(jié)果表明, D5、1 W白光LED 能量轉(zhuǎn)換效率分別為22.167 %和14.187 % , 1 W白光LED 的能量轉(zhuǎn)換效率, 隨著工作電流、環(huán)境溫度的增加而下降, 能量轉(zhuǎn)換效率與發(fā)光效能比值基本恒定, 熒光粉涂敷前后白光LED 能量轉(zhuǎn)換效率從
21.12 %下降到15.111 % , 熒光粉能量轉(zhuǎn)換效率約為93 %。
21.12 %下降到15.111 % , 熒光粉能量轉(zhuǎn)換效率約為93 %。
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@qdbs888
研究了1W白光LED能量轉(zhuǎn)換效率與工作電流、環(huán)境溫度和發(fā)光效能之間關(guān)系,并對熒光粉涂敷前后白光LED能量轉(zhuǎn)換效率的變化進行了分析。研究結(jié)果表明,D5、1W白光LED能量轉(zhuǎn)換效率分別為22.167%和14.187%,1W白光LED的能量轉(zhuǎn)換效率,隨著工作電流、環(huán)境溫度的增加而下降,能量轉(zhuǎn)換效率與發(fā)光效能比值基本恒定,熒光粉涂敷前后白光LED能量轉(zhuǎn)換效率從21.12%下降到15.111%,熒光粉能量轉(zhuǎn)換效率約為93%。
LED光效與發(fā)熱相對數(shù)基本無關(guān)系，從每W1流明到160流明每W，LED發(fā)熱量基本變化不大
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@larry98012
我以前一直理解都是光效提高,發(fā)熱都會相當減少一點!同功率(同樣電流和電壓)給LED供電,LED無非就是轉(zhuǎn)化為光能和熱能,理論上光能提高熱能就能減少
| 中村修二:“效率還能提高” UCSB將無極性LED的外部量子效率提至41％ | |
| 時間:2006-12-18 8:34:03 來源:【日經(jīng)BP社報道】 作者: 瀏覽 748次 | |
| 【字體：大 中 小 簡 繁】【收藏】【關(guān)閉】 | |
美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）與日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)創(chuàng)造科學(xué)技術(shù)推進事業(yè)（JST ERATO）聯(lián)合開發(fā)出了高外部量子效率的無極性發(fā)光二級管（LED）和半極性LED。在JST ERATO的研究項目——“不均一結(jié)晶項目”成果報告會上，UCSB教授中村修二等公布了這一成果（圖1）。半極性LED方面，京都大學(xué)和日亞化學(xué)工業(yè)曾于2006年6月末開發(fā)出了外部量子效率高達以往100倍的元件，此次開發(fā)的元件比其還要“高出10倍以上”（中村）。
圖1 中村發(fā)表研究成果
圖2 LED為藍光品種 UCSB等此次開發(fā)的元件有2種：（1）尺寸為300μm方形、驅(qū)動電流20mA時輸出功率25mW、外部量子效率最大為41％的無極性LED；（2）尺寸與（1）基本相同、驅(qū)動電流20mA時輸出功率18mW、外部量子效率最大為30％的半極性LED。發(fā)光波長沒有公開，從中村演講時展示的資料來看，應(yīng)該為400～450nm左右的藍光（圖2）。 中村對無極性和半極性的LED進行了預(yù)測并表示：“外部量子效率估計還會繼續(xù)提高，應(yīng)該可以超過60％”。（記者：野澤 哲生） |
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@qdbs888
中村修二:“效率還能提高”UCSB將無極性LED的外部量子效率提至41％ 時間:2006-12-18 8:34:03 來源:【日經(jīng)BP社報道】 作者: 瀏覽748次【字體：大中小簡繁】【收藏】【關(guān)閉】[圖片] 美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）與日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)創(chuàng)造科學(xué)技術(shù)推進事業(yè)（JSTERATO）聯(lián)合開發(fā)出了高外部量子效率的無極性發(fā)光二級管（LED）和半極性LED。在JSTERATO的研究項目——“不均一結(jié)晶項目”成果報告會上，UCSB教授中村修二等公布了這一成果（圖1）。半極性LED方面，京都大學(xué)和日亞化學(xué)工業(yè)曾于2006年6月末開發(fā)出了外部量子效率高達以往100倍的元件，此次開發(fā)的元件比其還要“高出10倍以上”（中村）。 [圖片]圖1中村發(fā)表研究成果[圖片]圖2LED為藍光品種 UCSB等此次開發(fā)的元件有2種：（1）尺寸為300μm方形、驅(qū)動電流20mA時輸出功率25mW、外部量子效率最大為41％的無極性LED；（2）尺寸與（1）基本相同、驅(qū)動電流20mA時輸出功率18mW、外部量子效率最大為30％的半極性LED。發(fā)光波長沒有公開，從中村演講時展示的資料來看，應(yīng)該為400～450nm左右的藍光（圖2）?！ ≈写鍖o極性和半極性的LED進行了預(yù)測并表示：“外部量子效率估計還會繼續(xù)提高，應(yīng)該可以超過60％”。（記者：野澤哲生）
LED的內(nèi)量子效率與電-光效率簡述
在LED的PN結(jié)上施加正向電壓時，PN結(jié)會有電流流過。電子和空穴在PN結(jié)過渡層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產(chǎn)生光子，由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，于是就有一個復(fù)合載流子轉(zhuǎn)換效率，并用符號nint表示。
nint=（復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復(fù)合載流子總數(shù)）×100%
當然，很難去計算復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總數(shù)。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率nint就稱為內(nèi)量子效率。
提高內(nèi)量子效率要從LED的制造材料、PN結(jié)外延生長工藝以及LED發(fā)光層的出光方式上加以研究才可能提高LED的nint，這方面經(jīng)過科技界的不懈努力，已有顯著提高，從早期的百分之幾已提高到百分之幾十，有了長足的進步，未來LED發(fā)展，還有提高nint的很大空間。
假設(shè)LEDPN結(jié)中每個復(fù)合載流子都能產(chǎn)生一個光子，是不是可以說，LED的電一光轉(zhuǎn)換效率就達到100%？回答是否定的。
從半導(dǎo)體理論可以知道，由于不同的材料和外延生長工藝的不同，所制成的LED的發(fā)光波長是不同的。假設(shè)這些不同發(fā)光波長的LED其內(nèi)量子效率均達到100%，但由于一個電子N型層運動到PN結(jié)有源層和一個空穴從P型層運動到PN結(jié)有源層，產(chǎn)生復(fù)合載流子所需的能量E與不同波長的LED的能帶位置相關(guān)都不一樣。而不同波長的光子的能量E也是不同的，電能到光能的變換有必然的損耗，下面舉例加以說明：
例如一個入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED，其正向偏置為VF≈2.2V,于是意味著它的一個電子與一個空穴復(fù)合成一個載流子所需的電勢能ER=2.2Ev，而一個入D=630nm的光子的勢能為E=hc/入D≈1240/630≈1.97eV，于是電能到光能的轉(zhuǎn)換效率n(e-L)=1.97/2.2×100%≈90%，即有0。0.23eV的能量損失(eV為電子伏)。
如果對一個GaN的藍光470nm的LED，則VF≈3.4V,于是EB≈3.4EeV,而EB≈1240/470≈2.64eV,于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%,這是在假定nint=100%時。若nint=60%,則對于紅色LED，n(e-L)=90%×60%=54%，而對于藍色LED則有n(e-L)B=78%×60%=47s%?？梢姡@就是LED的光一電轉(zhuǎn)換效率不是很高的原因。
上面已經(jīng)了解到LEDPN結(jié)有源層的電一光轉(zhuǎn)換效率不是很高，有相當一部分電能沒有轉(zhuǎn)換成光能，而是轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，成為PN結(jié)的發(fā)熱源。業(yè)界正在通過材料、工藝等機理上的努力去提高這一效率。如果施加在LED上的電功率全部變成光子能量，那么要問：這些光子能否全部逸出到空氣中“看見？回答也是否定的。于是就有一個LED光子逸出率的問題存在。可以這樣來表示LED中產(chǎn)生的光子逸出到空氣中的比率。
nout=（逸出到空氣中的光子數(shù)/PN結(jié)產(chǎn)生的光子總數(shù)）×100%
以上公式可以為LED的內(nèi)量子效率。為方便說明，我們假定LED的材料為GaAs,其材料的折射系數(shù)為n1=3.9，與芯片接觸的界面是空氣，它的光折射系數(shù)n0=1,由光傳播理論的光線折射定律可以知道，兩種不同界面的折射系數(shù)不相同時，其垂直于界面的光的反射函數(shù)可用下式來表示：
R（L）=［（n1-n0）/（n1n0）］2×100%
對于GaAs與空氣，則有，
R（L）=［（3.9-1）/（3.91）］2×100%=35.02
這就是說，有35.02%的光子將被反射回GaAs材料中，即反射回芯片內(nèi)，不能逸出到空氣中，僅有64.98%有可能逸出到空氣中。然而，LED的發(fā)光若是一個點光源時，其邊界全發(fā)射臨界的半角θc與界面兩種材料的折射系數(shù)有關(guān)，并由以下公式確定：θc=arcsin(ndn1)
對于GaAs和空氣：θc=arcsin（1/3.9）=14.90°
邊界全發(fā)射臨界角為29.8°，超過這個角度不能發(fā)射到空氣中，顯然這對一個球面而言，這個角度僅8.27%的區(qū)域能全發(fā)射，顯然內(nèi)量子效率是極低的。
當然對LED芯片來說，它是一個六面體，并非點光源，在不計電極擋光時，這個六面體的六個面均可有一個全發(fā)光臨界角，共有49.6%的出光區(qū)域。事實上，LED由于要引出電極、固定在引線框架上等原因，還做不到六個面出光，也就是達不到49.6%的全發(fā)射區(qū)域。LED內(nèi)量子效率一般僅在20%左右，它還有很大的提升空間，就是要綜合LED芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、材料折射系數(shù)等方面因素加以解決，來提高出光效率。
近年因為環(huán)保、節(jié)能、半導(dǎo)體的綜合優(yōu)勢，LED取代傳統(tǒng)光源用于常規(guī)照明已鋒芒畢露，但要LED的發(fā)光效率有更大的突破才可以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，因為發(fā)光效率是應(yīng)用的必須數(shù)據(jù)，要提高發(fā)光效率就跟以上內(nèi)量子效率與電光效率息息相關(guān)！取代傳統(tǒng)照明必須的也是技術(shù)提高帶動成本下降，半導(dǎo)體照明才可以發(fā)揮科技優(yōu)勢！
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@qdbs888
LED的內(nèi)量子效率與電-光效率簡述 在LED的PN結(jié)上施加正向電壓時，PN結(jié)會有電流流過。電子和空穴在PN結(jié)過渡層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產(chǎn)生光子，由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，于是就有一個復(fù)合載流子轉(zhuǎn)換效率，并用符號nint表示?！ int=（復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復(fù)合載流子總數(shù)）×100% 當然，很難去計算復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總數(shù)。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率nint就稱為內(nèi)量子效率?！ √岣邇?nèi)量子效率要從LED的制造材料、PN結(jié)外延生長工藝以及LED發(fā)光層的出光方式上加以研究才可能提高LED的nint，這方面經(jīng)過科技界的不懈努力，已有顯著提高，從早期的百分之幾已提高到百分之幾十，有了長足的進步，未來LED發(fā)展，還有提高nint的很大空間。 假設(shè)LEDPN結(jié)中每個復(fù)合載流子都能產(chǎn)生一個光子，是不是可以說，LED的電一光轉(zhuǎn)換效率就達到100%？回答是否定的。 從半導(dǎo)體理論可以知道，由于不同的材料和外延生長工藝的不同，所制成的LED的發(fā)光波長是不同的。假設(shè)這些不同發(fā)光波長的LED其內(nèi)量子效率均達到100%，但由于一個電子N型層運動到PN結(jié)有源層和一個空穴從P型層運動到PN結(jié)有源層，產(chǎn)生復(fù)合載流子所需的能量E與不同波長的LED的能帶位置相關(guān)都不一樣。而不同波長的光子的能量E也是不同的，電能到光能的變換有必然的損耗，下面舉例加以說明： 例如一個入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED，其正向偏置為VF≈2.2V,于是意味著它的一個電子與一個空穴復(fù)合成一個載流子所需的電勢能ER=2.2Ev，而一個入D=630nm的光子的勢能為E=hc/入D≈1240/630≈1.97eV，于是電能到光能的轉(zhuǎn)換效率n(e-L)=1.97/2.2×100%≈90%，即有0。0.23eV的能量損失(eV為電子伏)?！ ∪绻麑σ粋€GaN的藍光470nm的LED，則VF≈3.4V,于是EB≈3.4EeV,而EB≈1240/470≈2.64eV,于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%,這是在假定nint=100%時。若nint=60%,則對于紅色LED，n(e-L)=90%×60%=54%，而對于藍色LED則有n(e-L)B=78%×60%=47s%。可見，這就是LED的光一電轉(zhuǎn)換效率不是很高的原因?！ ∩厦嬉呀?jīng)了解到LEDPN結(jié)有源層的電一光轉(zhuǎn)換效率不是很高，有相當一部分電能沒有轉(zhuǎn)換成光能，而是轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，成為PN結(jié)的發(fā)熱源。業(yè)界正在通過材料、工藝等機理上的努力去提高這一效率。如果施加在LED上的電功率全部變成光子能量，那么要問：這些光子能否全部逸出到空氣中“看見？回答也是否定的。于是就有一個LED光子逸出率的問題存在。可以這樣來表示LED中產(chǎn)生的光子逸出到空氣中的比率?！ out=（逸出到空氣中的光子數(shù)/PN結(jié)產(chǎn)生的光子總數(shù)）×100% 以上公式可以為LED的內(nèi)量子效率。為方便說明，我們假定LED的材料為GaAs,其材料的折射系數(shù)為n1=3.9，與芯片接觸的界面是空氣，它的光折射系數(shù)n0=1,由光傳播理論的光線折射定律可以知道，兩種不同界面的折射系數(shù)不相同時，其垂直于界面的光的反射函數(shù)可用下式來表示： R（L）=［（n1-n0）/（n1n0）］2×100% 對于GaAs與空氣，則有， R（L）=［（3.9-1）/（3.91）］2×100%=35.02 這就是說，有35.02%的光子將被反射回GaAs材料中，即反射回芯片內(nèi)，不能逸出到空氣中，僅有64.98%有可能逸出到空氣中。然而，LED的發(fā)光若是一個點光源時，其邊界全發(fā)射臨界的半角θc與界面兩種材料的折射系數(shù)有關(guān)，并由以下公式確定：θc=arcsin(ndn1) 對于GaAs和空氣：θc=arcsin（1/3.9）=14.90° 邊界全發(fā)射臨界角為29.8°，超過這個角度不能發(fā)射到空氣中，顯然這對一個球面而言，這個角度僅8.27%的區(qū)域能全發(fā)射，顯然內(nèi)量子效率是極低的?！ ‘斎粚ED芯片來說，它是一個六面體，并非點光源，在不計電極擋光時，這個六面體的六個面均可有一個全發(fā)光臨界角，共有49.6%的出光區(qū)域。事實上，LED由于要引出電極、固定在引線框架上等原因，還做不到六個面出光，也就是達不到49.6%的全發(fā)射區(qū)域。LED內(nèi)量子效率一般僅在20%左右，它還有很大的提升空間，就是要綜合LED芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、材料折射系數(shù)等方面因素加以解決，來提高出光效率?！ 〗暌驗榄h(huán)保、節(jié)能、半導(dǎo)體的綜合優(yōu)勢，LED取代傳統(tǒng)光源用于常規(guī)照明已鋒芒畢露，但要LED的發(fā)光效率有更大的突破才可以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，因為發(fā)光效率是應(yīng)用的必須數(shù)據(jù)，要提高發(fā)光效率就跟以上內(nèi)量子效率與電光效率息息相關(guān)！取代傳統(tǒng)照明必須的也是技術(shù)提高帶動成本下降，半導(dǎo)體照明才可以發(fā)揮科技優(yōu)勢！
也就是說led出光(外量子)效率在中村老師實驗室只有30％左右，實際為15-25％。內(nèi)量子放率實驗室為70％左右，實際更低。
也就是說，從白光led出世的1 lm/w光效到現(xiàn)在160 lm/w光效，led發(fā)熱量變化不太，光電(外量子)轉(zhuǎn)換效率變化不大，這也是led照明產(chǎn)業(yè)量始終上不去根本原因，led照明任重而道遠。
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