1．LED的光衰：

　　大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。

图1. Cree公司的LED的光衰曲线

　　从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于Cree的LED。并不适合于其他公司的LED。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。

 
图2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线

　　当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。

　　其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。

  
　　2．如何才能延长LED的寿命

　　由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把LED产生的热散发出去。

　　在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的LED寿命。

　　3．如何测量结温

　　结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在LED的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进PN结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻Rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。，但是在安装好散热器以后，问题就又变得复杂起来了。因为通常LED是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms（铝基板到散热器），Rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。

图3. LED到散热器各个热阻的示意图

　　幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢？这个关系又是怎么样的呢？

　　我们首先要从LED的伏安特性讲起。

 　　4．LED伏安特性的温度系数

　　我们知道LED是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图4中画出了LED的伏安特性的温度特性。

图4. LED伏安特性的温度特性

　　假定对LED以Io恒流供电，在结温为T1时，电压为V1，而当结温升高为T2时，整个伏安特性左移，电流Io不变，电压变为V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mV/oC表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mV/oC。但是LED大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其温度系数为-4mV/oC。要比普通硅二极管大2倍。而美国Philips-Lumileds公司的Luxeon Rebel的伏安特性温度系数为-2—4mV/oC。至于美国普瑞的阵列LED（BXRA）就给出了更为详细的数据。

图5. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线

　　但是，他们给出的数据，其范围也未免过于宽大，以至于失去了利用的价值。不管怎样，只要知道LED的温度系数就很容易可以从测量LED的前向电压中推算出LED的结温了。

 　　5．如何具体测算LED的结温。

　　现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。来说明如何具体测算LED的结温。要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出结温了。实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。

　　采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。

　　6．如何来预测这个灯具的寿命。

　　从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。

　　不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。
 

　　LED主要参数与特性

　　LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。

　　1、LED电学特性

　　1.1 I-V特性

　　表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

图1  LED  I-V特性曲线

　　如图1：

　　（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。

　　（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系：

IF = IS (e qVF/KT –1)

        IS为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升：

IF = IS e qVF/KT

　　（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。 

　　（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。

 　　1.2 C-V特性

　　鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。

图2  LED C-V特性曲线

　　1.3 最大允许功耗PFm

　　当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj – Ta）。

　　1.4 响应时间

　　响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-6~10-7S（us 级）。

　　1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。

图3

 　　② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间——上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间——下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

　　不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间＜10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10~100MHZ 高频系统。

　　2、LED光学特性

　　发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

　　2.1 发光法向光强及其角分布Iθ

　　2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

　　2.1.2 发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

　　⑴ 为获得高指向性的角分布（如图4）

图4

　　① LED 管芯位置离模粒头远些；

　　② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

　　③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。

　　采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

　　⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形LED：5°、10°、30°、45°。

 　　2.2 发光峰值波长及其光谱分布

　　⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

　　LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

 图5  LED光谱分布曲线

1.蓝光InGaN/GaN  2.绿光GaP：N    3.红光GaP：Zn-O

4.红外GaAs        5.Si 光敏二极管    6.标准钨丝灯