本文对限制LED效率的机理进行了研究，并对影响这些设备及固态照明系统可靠性的主要问题进行了分析。在第一部分中，我们对LED的主要损耗机理进行了研究，特别是thermal rollover问题、高温条件下效率的降低、正常使用导致的机能损耗、因过量能耗导致的蓝光/绿光/白光 LED 效率损失进行了分析。LED并不是影响固态照明系统效率的唯一因素。此外，变压器、一次光学和二次光学设计以及驱动器的选择（直流和 脉宽调变）等其他因素也会大大降低基于 LED 照明系统的性能。
本文第二部分对影响LED系统可靠性的问题进行了分析。我们讨论了导致设备退化的可能因素，特别是对逐渐老化的机理（半导体芯片、荧光粉及封装的老化）和突然退化机理（如因静电释放、过电应力和热插拔而导致的退化）进行了分析。最后，我们对用来测量 LED 光源光效维护系数和正确预测 LED 寿命的主要标准（LM80和TM21）进行了简单的分析。
LED 系统的效率：我们如何克服物理限制？
与传统照明灯具相比，LED 系统被认为是极具效率的灯具。尽管近年来一些 LED 商业照明设备（如Cree MKR）的光能转化率高达 200lm/W，但一些物理机理仍然限制着 LED 系统的潜在发展，特别是在高电流和高温工作条件下。
温度对效率的影响
随着温度的增加，流明转换率会降低，其降低程度与构成 LED 的元件-半导体的物理特性有关。随着腔面温度的增加，流明转换效率会降低，同时发射辐射的波长会增加（因此辐射能量会降低）。这一现象被称作“thermal rollover”现象，其形成直接取决于LED基础性材料半导体的类型。可见光LED通常使用两种不同的半导体：适用于紫光、蓝光和绿光 LED 的基于氮化镓 (GaN) 的合金半导体、基于磷化铟(indium phosphide) 的合金半导体、以及适用于从琥珀光到红光 LED 的基于铝镓材料的合金半导体。然而，由于主动区和带有体阻挡层的半导体中量子阱之间能量差的缩小，基于铝镓材料的 LED 会比基于氮化镓的 LED更易损耗。为避免这些损耗，需做到以下两点：首先要使用最高效的散热系统降低腔面温度；其次要增加腔长和增大发光区宽度。（图1, a – b）。
不同的温度指LED 照明系统发出的光与不同的反侧光（例如，红光和白光 LED）混合时，就需要根据LED本身的腔面温度选择一个电流补偿系统。这对于将高效专业的白光 LED 发出的光与绿光和红光LED融为一体的、新一代光引擎来说尤为重要，通过借助高演色性（CRI 90）发出一种暖色温光（2700-3000K），来平衡热辐射量。
在理想的条件下，这些光引擎在效率和光质方面都具有出色的性能。然而遗憾的是，随着温度的变化，由于会发生不同程度的损耗，因而各种组件光谱的均衡程度得到了削弱。因此，为了保证光谱整体的均衡性，需要使用装有热光学数字微控传感器的反馈系统。由此可见，温度不仅影响 LED 的效率，而且还影响一些较为复杂的系统的显色特性，因此需要对这些系统加以调整。
光衰
LED 也有光衰问题，但造成该问题的物理机理至今尚不完全清楚。研究显示，当极化二极管的电流密度增加时，其发光效率就会下降。光衰在强电流条件下会变得很快，目前市面上的 LED 的效率最高降幅多达几个百分点。
很多物理现象被认为可能与光衰有关，最常见的两种是俄歇复合(Auger recombination)和载体溢出 (carrier spillover) 。在俄歇复合现象中（以法国物理学家皮埃尔·奥杰的名字命名，他在19世纪20年代研究宇宙射线时发现了这一机理），一个电子与一个空穴（正电荷相当于带负电荷的电子）复合，并将能量传递给第三个载流子（电子或空穴），然后将储存的能量驱散转化为热能。该过程与注入 LED主动区的电荷浓度成比例关系。由于这一过程会产生热能，而不发生光辐射，因而会降低辐射效率，特别是在强电流密度条件下。载体溢出是指LED主动区中量子阱的电荷在复合发光前发生泄漏的现象。俄歇复合和载体溢出会成为非辐射复合的主要机理，并会吸收主动区中释放的大部分电荷。
尽管这些现象的起源是物理性起源，无法变更，但是可以通过制定适合的LED材料、设计和结构方案来减少这些现象的发生。减少光衰发生的一般方法是尽可能降低电荷密度，使其等于注入 LED 的电流密度。这为我们提供两种可能的方法：最简单的方法是改变LED芯片的设计，以增加表面积；第二种方法是对芯片本身的晶体结构进行改变。增加芯片表面积会影响表面电流分布的均匀性，这虽简单但成本较高，这是由于LED的生产成本取决于所用芯片的表面积。因此，该方案可灵活适用于消费照明市场。降低电荷密度也可以通过影响设备的晶体结构来实现，氮化镓的晶体特性使得主动区的电荷密度较高。该晶体具有压电性：晶体长大后会在特定晶向产生极强的电场。压电场会对LED产生负面影响：压电场会分离电荷，并将电子从空穴中移走，因而会大大降低发生辐射复合的可能性。
遗憾的是，由于最适合LED及其基片外延生长的网格方向是压电场最强的方向，这无疑会增加发生辐射复合的可能性，因此有必要利用能量垒将电子和空穴约束在非常狭小的量子阱中（测量尺寸约为3纳米），以此来促使主动区交替出现的InGaN层和 GaN 层的成分发生变化。该设计必然会导致量子阱内的电荷积聚，因而会大大增加载体的密度，进而加快光衰的速度。为了应对这一问题，一些研究实验室正在努力获得沿不同晶向生长的LED外延结构，这将产生一个低强度的压电场，并将促使量子阱尺寸增加，进而降低载体的密度。与传统极性设备不同，这些新型的LED设备被称作非极性设备或半极性设备（具体取决于晶向）。
整个系统的效率
此外，其他的机理损耗也不可忽视。在评估LED系统的电光转换效率、能量转换效率（系统用来转换电功率和光功率的效率），需要考虑整套LED系统的所有组件。图2显示了在设计一个高效照明灯具时如何对LED的所有组件（不单单是LED）进行优化。
与 LED 系统可靠性有关的问题
与所有半导体设备相同，LED 可靠性高，寿命长，一般寿命是 50,000小时至100,000小时。尽管生产成本高于传统光源，但由于高可靠性及高效率使其极具竞争力。在大多数情况下，白炽灯和荧光灯容易突然退化，也就是说，在使用几千小时（白炽灯寿命约为1000小时，荧光灯寿命约为8000小时）后就会突然发生故障。相比之下，LED 的退化过程通常是逐步的，也就是说，工作过程中光通量会逐步下降（可能会突然发生故障，表现为快速停止工作，具体内容将在本文末尾介绍）。在逐步发生退化的情况下，问题在于，由于设备老化问题，光通量会下降30%（例如，设备只能发出初始光通量的70%）。
尽管LED尺寸小，但其结构非常复杂（图3）。设备中心有一块发出蓝光的半导体芯片。该芯片外面涂有一种被称为YAG 的磷光材料，该材料能够将 LED 发出的蓝光转换成白光。
此外，我们还安装透镜（通常为硅胶透镜）来提高设备的光提取效率和光束角范围。在高工作电流、高接面温度条件下以及LED本身发出的高能辐射的不良影响下，在正常工作过程中，LED的所有组件都会发生退化。现在，我们将介绍LED的主要退化机理以及用来评估这些设备寿命的方法。
半导体芯片退化
该发光芯片以半导体作为基础材料（AlInGaP或InGaN），半导体材料在极高温度下（通常为700°C至1000°C）采用外延技术制造而成，通常在LED正常工作温度下表现得较为稳定（接面温度最高达到150°C）。尽管温度不会导致LED芯片发生明显退化，但高密度电流通路会导致芯片发生明显退化：穿过接面的电子有足够的能量破坏晶格。
因老化导致的缺陷能够捕捉穿过主动区的移动电子，并防止它们生成光能（非辐射复合）。老化过程中，LED的工作电流越高，这一效应越明显：最新研究显示，退化速率与LED工作电流成线性比例关系。
封装与磷层退化
据LED生产商介绍，市面上的一些 LED 最高能够在150°C的接面温度下工作。尽管该温度不会对半导体芯片造成危害，但会使LED塑料封装变黑，该塑料封装通常用来反射设备发出的光线和确保光提取效率最大化。另一个高温退化机理是安装在LED芯片上面的生成白光的含硅层的荧光粉变黑。这两种机理会大大减少LED发出的光，并且会改变光源的色度坐标。根据阿伦尼乌斯定理，封装和磷层退化通常是由热能引起的。
这意味着，退化所需的时间越来越多地取决于1/T（故障时间与exp (-Ea/kT)成比例关系），其中T是指老化过程中LED的暴露温度，而Ea是指活化能 (activation energy) 参数，用来表示老化过程中对温度的依赖性：随着温度的增加，LED寿命会大大降低。通过在加速老化条件下的试验（在不同接面温度下了解设备的热力特性），我们可以计算出退化过程的活化能 (activation energy)，并推算出实际工作条件下的LED寿命。LED生产商和可靠性研究实验室（例如，帕多瓦大学工程系与LightCube合作进行研究）通过系统研究，并借助不同类型的加速试验对 LED 的可靠性进行了评估（图4） 。
突然故障：静电释放和热插拔
LED 通常会逐渐退化。然而，在很多情况下，基于 LED 的光源会发生突发故障、瞬时故障或永久性故障。LED 发生退化的两个主要原因是静电释放（ESD）和电力过载（EOS），这将会使电流强度超过LED 所能容忍的最大强度，并引起对结型半导体或为芯片载运电流的接点（焊线、金属轨道等）的瞬时退化。
静电释放通常发生在电子元器件的生命周期内：包括从生产（此时，芯片在静电作用下接触机器负荷）到组装（若该过程由未使用专用设备进行接地连接的操作人员来完成）再到最终使用过程（例如处在暴雨中的街灯）。静电释放(ESD)发生时通常会产生过量电流（达几十安培），并且会持续数十/数百纳秒。当LED工作电流多次长时间大幅超过厂商推荐的最高电流时，就会发生电力过载（图5）。电源电压急速波动或热拔插后，容易发生电力过载（如，将 LED 或 LED 模块连接到已打开的电源上）。
在这种情况下，所产生的电流强度低于静电释放时所产生的电流（几安培），但持续时间更长（约为一毫秒）。发生电力过载或静电释放的 LED 或 LED 模块会发生明显的退化。在大多数情况下，半导体材料熔断/断裂后或为 LED 输送电流的连接线（焊线）发生保险丝熔断后，结合点会发生短路。为避免这种情况发生，有必要对驱动系统进行优化，以确保其不受过电压影响，并且有必要对生产和组装过程进行优化，以消除静电释放的原因。最后，我们也可以使用保护性结构（例如瞬态电压抑制器)）或设备来避免 LED 模块承受不必要的电压峰值。
标准和规则
为了确保 LED 用户能够对市面上产品的可靠性进行有效的测评，我们在此引入了两个重要标准 IES LM80和TM21。规则第一部分为测评基于 LED 光源的退化情况提供指导帮助。它们对老化测试方法、LED 工作温度和应力测试间隔时间进行了定义，以便于对 LED 退化情况进行评估（通常至少需要进行6000小时的应力测试，并且需要至少每隔1000小时做一次测试）。IES LM80对如何执行退化测试进行了说明，而 IES TM21则借助实验测试结果制定了 LED 寿命预测指南。这两种标准所建议的方法的运用有助于获得 LED 的主要评估结果：然而，在确认技术是否可靠之前，还需要对两种标准进行很长一段时间（几千小时）的应力测量。在设计和生产阶段，不可能总是进行这么长时间的测试。为了设计出一款质量可靠的系统，需要 LED 系统的热电和光学设计进行优化，以确保工作条件在厂商推荐的参数范围内，进而确保达到规定的可靠性要求。
