早期的led主要用于做指示灯。它的发光强度不高,一般小于1mcd,高的也仅几个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于0.21m/w,其功率仅几十mw到上百个mw(属于小功率led)。本文就从发光强度提高说起。
发光强度及发光效率的提高
作为指示灯方面的应用,有几个mcd的发光强度也可以了,但由led组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满足使用的要求。所以led的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。
随着半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展,led的亮度不断提高,开发出高亮度及超高亮度led,并且不断创造新记录。
笔者用现有的led资料,以中5标准封装、发红光、视角差不多的led为例,以不同的生产年份的发光强度来说明led发光强度提高的情况,如表1所示。
从表1可以看出,近30年led的发光强度提高了8000倍左右。1969～1987年led的发光强度是很低的,发展很慢,但1994～2005年led的亮度有很大的发展。表1中列出的并非发光强度最高的。例如,在gaas的衬低上采用ailngap工艺技术制成的φ5、红光led,在小视角4°、50ma工作电流时,其典型发光强度为20000mcd。
led另一个重要性能指标是发光效率η,用1m/w来表达。各年份生产的led发光效率如表2所示。
从表2可以看出,这30多年来,led的发光效率提高了250倍以上。1970-1990年led发光效率提高较慢,1990-2005年则提高较快。例如,cree公司生产的lw白光led xl7090wht,其发光效率可达601m/w。
xl7090wht是超高亮度、小尺寸封装的白光led。xl7090wht的发光强度大,电流350ma时的典型光通量为601m,在瞬态脉冲电流700ma时典型光通量可达981m,而目前一般1w白光led的光通量为30～45lm),xl7090wht的发光效率高达601m/w,视角宽达100°,封装尺寸仅为9mmx7mmx4.3mm,工作温度范围是-20~+80℃。
由于xl7090wht发光强度大、发光效率高,因此它适用于家庭、商业或公共场所明、dvd、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光,广告灯、路灯及标志灯,汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。
从表1和表2也可以看出,led的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的led主要用gaas、gap(二元素半导体材料)和gaasp(三元素半导体材料),1994年左右采用aiingap(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在gaas衬底上用ailngap材料生产的红光、黄光led及在sic衬底上用ingan材料生产的绿光、蓝光led,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
led的功率提高
我们知道led的发光强度与正向电流if,几乎成线性关系,即增加正向电流if可增加发光强度。但led有一个最大功耗pd值的限制,pd=vfxif(vf为正向压降),若过大地增加if而使pd超过最大值时,led会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率led(一般为几百mw),其工作电流也提高到70ma。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率led,其功率一般为1～10w(有一些还大于10w)。它的工作电流一般为350～700ma,有些可达1a以上。
以american opto plus led公司生产的5w的pu-5wxx系列为例,在700ma电流下,其结温了tj为25℃,其典型发光强度如表3所示(大功率led的发光强度用光通量表示)。
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