征服LED之不得不看的重要概念

照度和色溫的變化

　　最近，按照一天內的時間變化及季節進行調光的產品已實現。例如，日本岡村制作所上市了使用LED進行細微調整的照明系統。特點是具有可隨著人體生物鐘按照約一天周期有規律地改變照度和色溫的功能。預設了調光程序，對1年中每一天，可按照時間和季節的變化，使照度在400～800lx范圍內分5個階段、色溫在3000～5000K范圍內分5個階段而變化。這樣便可按照人們早上醒來、白天活動、夜晚睡眠的自然環境進行周期性調光。人們有了更加舒適的光照環境，能夠更有效地工作。

演色性（color rendition）

　　指利用照明器具的光照射物體時，反映以何種程度再現了與自然光照射時相同顏色的指標。一般情況下，多使用平均演色性指數（Ra）來表示。平均演色性指數越接近100的光源，越能再現與自然光照射時相同的顏色。作為照明用途，普通家庭和辦公室室內使用的照明器具的Ra為80以上、走廊等為70以上；美術館、物品檢驗以及店鋪等注重演色性的用途，大多在90以上。

　　用于照明的白色LED，大體分為低Ra和高Ra品種。演色性與發光效率具有此消彼長的關系，優先考慮演色性，發光效率會降低20～30％。為此，出現了發光效率優先和演色性優先的不同品種。演色性高的光，其光譜接近自然光。也就是說，發光強度相對于發光波長的變化較小；而發光效率高的光，在人眼視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）高的領域（550nm附近的峰值），其發光峰值較大。

　　例如，組合藍色LED芯片和黃色熒光體得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加紅色熒光體等即可將Ra提高到80以上。Ra超過90的白色LED則是出于使發光光譜的變化更加平滑的目的，而對藍色LED組合使用了綠色熒光體和紅色熒光體等。此外，對近紫外LED組合使用紅色、綠色和藍色等多種熒光體，可獲得Ra超過90的白色LED。

高效率、高演色LED

　　目前使用藍寶石底板的藍色LED和黃色熒光體等白色led封裝是主流，但三菱化學計劃通過組合采用m面-GaN底板的近紫外LED和紅/綠/藍色（RGB）熒光體來實現高效率、高演色的LED。

　　Ra是對普遍存在的、有代表性的8種顏色的演色性指數（將待評測照明光源照射物體時的顏色與基準光源照射時的顏色相比較的值）的平均值。計算演色性指數的8種代表性顏色為：暗灰色、暗黃色、深黃綠色、黃綠色、淡藍綠色、淡藍色、淡紫色、紅紫色。

調光（dimming）

　　將光源發出的光調節為希望的亮度的做法。LED與白熾燈一樣，比熒光管更容易進行微細調光。通過在點亮LED的電源電路中，改變輸入LED的電流大小和占空比（導通時間與截至時間之比）來調節亮度。

　　如同利用滑線電阻調壓器調節白熾燈亮度一樣，LED照明也能實現所希望的亮度，目前已經開發出了具備調光功能的產品。除了埋入天花板等的LED照明器具外，LED燈泡中也有利用遙控器進行調光的產品。組合使用光傳感器，根據外光的亮度自動調光的LED照明器具也已經面世。

　　液晶面板的LED背照燈的調光是指，整體調節LED背照燈的發光，或者對背照燈進行部分控制。通過根據液晶面板顯示的影像控制LED的發光，能夠在確保峰值亮度的同時，降低較暗部分的亮度。例如，東芝的“CELL REGZA 55X1”液晶電視配備了直下型白色LED背照燈。針對輸入影像對512個領域（16×32）的LED發光情況分別進行控制。通過使領域內配備的多個白色LED以最大亮度發光，峰值亮度實現了1250cd/m2，影像顯示時的對比度實現了500萬比1。

光效下降現象（LED droop）

　　光效下降現象是指，向芯片輸入較大電力時LED的發光效率反而會降低的現象。作為有助于削減單位光通量成本的技術，各LED廠商都在致力于抑制光效下降現象。如果能抑制該現象，使用相同的芯片，在輸入較大的電力時會增加光通量。因此，可減少用于獲得相同光通量的芯片數，從而削減單位光通量的成本。

　　美國飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）等很早就開始研究如何抑制光效下降現象。現在，日亞化學工業和德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）等眾多LED廠商也開始傾力研究。各LED廠商打算把在輸入電流1A，輸入功率3W時明顯出現光效下降現象的電流和功率的領域擴大約3倍。

抑制“光效下降現象”
作為削減單位光通量成本的方法，各LED廠商紛紛致力于抑制“光效下降現象”。

　　各LED廠商均沒有公布光效下降現象的發生原理及其抑制方法的詳情。然而，有廠商透露，芯片的發熱及電流集中等若干參數與光效下降現象有關。例如，輸入較大電力時，芯片的光發生量增多，同時發熱也增多。這種發熱會使芯片內部的量子效率惡化，從而導致光效下降現象。因此，有LED廠商認為，為抑制光效下降現象，采用散熱性高的封裝構造，即使輸入較大電力芯片溫度也不會上升的改進會對抑制光效下降現象有效。另外，有觀點認為，如果LED芯片內的電流密度變大，就容易引發光效下降現象。

量子阱（quantum well）

　　利用帶隙較寬的層夾住帶隙窄且極薄的層形成的構造。帶隙較窄的層的電勢要比周圍（帶隙較寬的層）低，因此形成了勢阱（量子阱）。在LED和半導體激光器中，量子阱構造用于放射光的活性層。重疊多層量子阱的構造被稱為多重量子阱（MQW：multiquantum well）。

　　藍色LED等是通過改良量子阱構造等GaN類結晶層的構造取得進展的。GaN類LED在成為MIS（metal-insulatorsemiconductor）構造，pn接合型雙異質結構造，采用單一量子阱的雙異質結構造以及采用多重量子阱的雙異質結構造的過程中，其亮度和色純度得到了提高。采用MIS構造的藍色LED在還沒有實現p型GaN膜時，就被廣泛開發并實現了產品化。缺點是光強只有數百mcd。p型GaN膜被造出來之后，采用pn接合型雙異質結構造的藍色LED得以實現。與MIS構造相比，發光亮度達到了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱構造來取代pn接合型雙異質結構造，發光光度和色純度會進一步提高（發光光譜的半值幅度變窄）。

GaN類藍色發光二極管的構造變遷
（a）為采用MIS（metal-insulator-semiconductor）構造的藍色LED。
（b）為采用多重量子阱（MQW ：multi quantum well）構造的藍色LED。

　　雙異質結構造是指在LED和半導體激光器等中，在活性層的兩側設置了能隙比活性層還要大的包覆層的構造。可獲得將電子和空穴封閉在活性層內的效果。所以發光元件采用雙異質結構造的話，可提高光輸出。另外，只在活性層的一側設置能隙較大的包覆層的構造被稱為單異質結。

接合溫度（junction temperature）