不同电流下发光二极管温度和光谱特性的实验研究

李月锋，黄耀清，王 欢

（上海应用技术学院，上海 201418）

发光二极管（LED）是一种电致发光器件，具有工作电压低、功耗小、体积小、重量轻、易于和集成电路相匹配、驱动简单、寿命长、性能稳定、响应速度快等一系列优点，因此它被广泛地应用于各种领域［1－3］.随着应用范围的扩大，研究发光二极管的特性也变得越来越重要.LED驱动电流的增加，会导致LED温度升高，而LED是一个温度依赖性较强的光源，并且过高的温度会影响LED的寿命和可靠性［4－5］，因此了解电流对LED温度的影响以及由此引起的光谱变化非常重要。文章实验研究了市面上销售的紫光、蓝光、绿光、黄光和红光5种LED随电流的增加管脚温度的变化以及发光波长特性。其中LED的管脚温度用温度传感器测量，发光波长用光学多道分析仪测量。

1 LED工作原理

LED是把电能转化成光能的半导体器件。LED与普通二极管一样由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，注入的少数载流子与多数载流子复合，复合释放的能量以光的形式释放出来，从而能直接把电能转化为光能。不同颜色的LED所用的材料不同，理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即：λ≈1 240 Eg／nm。根据材料禁带宽度（3.26～1.63 e V），可以制作出波长在380～780 nm范围内的可见光。目前市场上比较常见的发光二极管有紫光、蓝光、绿光、黄光和红光等不同颜色的二极管。

2 实 验

2.1 试件

本实验中LED是市场上普遍流行的普通LED，具体试件如下：

表1 测试用LED基本概况

2.2 试验装置与测试过程

图1是LED测量的实验装置示意图。自制的LED支架2可以方便的固定LED1以及测量电路和热电阻3（Pt100标准热电阻）。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上，它的电阻值由数显温度计测温仪5（DM6801 A）来测量。电源5（上海交通大学物理实验中心生产的直流恒流源，0～200 mA）给LED提供驱动直流。LED发出的光通过透镜6汇聚后进入光学多道分析仪7（WGD－6型）。计算机8连接在光学多道分析仪上用来分析光学测量的结果。

图1 实验装置示意图

LED的额定电流一般为20 mA，测量过程中不断增大电流，同时测量二极管温度和谱线的变化。直流恒流源有两个量程，0～20 mA和0～200 mA，测量过程中，为了测量数据尽可能充分，在0～20 mA量程，从5 mA开始，每增加5 mA测一组数据，直到15 mA，在20～200 mA范围内，从20 mA开始，每增加20 mA测一组数据，直到LED损坏为止。测量环境温度在25.3℃的室温下进行。

3 实验结果分析

3.1 发光二极管温度随电流的变化

图2是5种不同颜色LED温度随电流的变化情况。随驱动电流的增大，LED的温度不断升高。这是由于随着驱动电流的加大，会引起LED内部产生电流拥挤效应，导致非辐射复合能量增大，LED温度升高，并且随LED温度增高，LED材料热导率下降，从而形成恶性循环，加剧了这种变化趋势［4，5］。

图2 不同类型LED温度随电流的变化

同时还可以得知，除了绿光LED和黄光LED在40 mA和15 mA以下，有些波动之外，其他颜光LED及绿、黄光LED随后阶段，温度随电流呈近似线性增加。紫、蓝和绿光LED增加的速率要大一些，通过线性拟合，得到它们的近似斜率分别为0.39℃／mA，0.33℃／mA和0.54℃／mA，黄光LED和红光LED增加速率要小一些，它们分别为0.18℃／mA 和0.10℃／mA。蓝、黄和红光LED的工作极限温度较低，分别为53.7℃、54.1℃和35℃，而紫和绿光LED极限工作温度在70℃附近。这种区别主要是材料禁带宽度差异，在相同输入电流下In Ga N材料制作的LED电压值要高于Al GaIn P材料制作的红光、橙光LED，其电功率转换成热功率的值仍要大于红光、橙光LED。即在相同驱动电流下，In－Ga N材料LED产生的热功率要大于Al GaIn P材料的红光、橙光 LED［6］。

3.2 不同电流下LED的波长变化

图3 不同电流下紫光LED波长变化

图4 不同电流下蓝光LED波长变化

图3所示是紫光发光二极管在5～100 mA正向电流下的光谱。蓝光的峰值波长在410 n m左右，随电流的增加，发生了红移，变化幅度为7 n m左右，这是因为LED温度升高，禁带宽度随着温度的升高而收缩，发射出的光子能量降低，造成峰值波长向长波漂移，光谱分布也随之移动［4，8－9］。在电流 为 10 和 15 mA 附 近，峰 值 波 长有波动，幅度没有超过1 n m（图8）.LED光输出功率（相对强度）随电流增加而不断增大，但在电流为60 mA时光输出会出现饱和，在饱和区域，光输出不再随着注入电流增加而增加，反而会下降，热的产生是光功率饱和的主要原因［7］。光谱的半峰宽在19 n m附近，随电流的增加也发生了一定的变化，总的趋势是随电流的增加变宽，总幅度在3.5 n m以内，但是不同电流下有波动（表2）.晶格振动随LED温度升高而加剧，晶格弛豫能量相应变大，处于激发态的电子先跃迁到较高的振动态，后至基态，使得发射光谱逐步展宽。并且随着电流注入增大，载流子密度增大，引起带隙收缩效应和能带填充效应，相应的使发射波长产生影响，导致发光光谱宽化［9］。

图5 不同电流下绿光LED波长变化

图6 不同电流下黄光LED波长变化

图4所示是蓝光发光二极管在5～100 mA正向电流下的光谱。蓝光的峰值波长在460 n m左右，随电流的增加，先发生了蓝移随后发生了红移，变化幅度为－1.9～3.5 n m。这与Ⅲ族氮化物半导体材料的极化效应有关，氮化物本身的纤锌矿结构存在着自发极化，而In Ga N和Ga N晶格常数不匹配产生的应力导致出现压电极化现象，自发极化和压电极化的共同作用致使量子阱内部存在一很强的电场。这个内建电场的存在导致显著的量子限制斯塔克效应［10］，量子阱中的能带发生倾斜；随着注入电流的增大，多量子阱区的自由载流子增加，阱中基态升高，从而使LED的峰值波长向短波方向移动［11］。在电流较小时，LED升高不明显，这时候“蓝移”起主要作用；当电流逐渐增大，LED温度升高，这时候LED升高导致的红移变得重要，可能抵消蓝移甚至起主要作用［12］。LED光输出功率随电流增加而不断增大，但未出现饱和（图8）。光谱的半峰宽在19 nm附近，随电流的增加变宽，宽化幅度最大可达在10 nm左右。

图5所示是绿光发光二极管在5～120 mA正向电流下的光谱。绿光的峰值波长在520 n m左右，随电流的增加，总的趋势是发生了蓝移，变化幅度为－4.3 n m。电流在5～40 mA范围内有较小的波动，波动幅度没有超过2.3 n m（图8）.LED光输出功率随电流先增加（5～15 mA）后减小（15～40 mA），随后又增大（40～80 mA），在80 mA光输出饱和，随后减小（图8）。光谱的半峰宽在39 n m附近，随电流的增加而变化，没有明显的变化规律，变化幅度在－5.7～6.8 n m之间。

图7 不同电流下红光LED波长变化

图8 不同颜光LED峰值波长的变化

表2 不同颜色LED半峰宽随电流的变化

图6所示是黄光发光二极管在5～160 mA正向电流下的光谱。黄光的峰值波长在590 n m左右，随电流的增加，发生了红移，变化幅度为7.9 n m。电流在15～20 mA范围内有较小的波动（见图8）.LED光输出功率随电流增加而增大，在60 mA光输出饱和，随后减小（见图8）。光谱的半峰宽在12 n m附近，随电流的增加而不断宽化，宽化幅度最大可达在15 n m左右。图7所示是红光发光二极管在5～80 mA正向电流下的光谱。红光的峰值波长在650 n m左右，随电流的增加，发生了红移，变化幅度为13.7 n m（见图8）。LED光输出功率随电流增加而增大，在20 mA光输出饱和，随后减小（见图8）。光谱的半峰宽在15 n m附近，随电流的增加而不断宽化，宽化幅度最大可达在15 n m左右。

不同颜色LED半峰宽随电流的变化见表2。

4 结 论

在相同的温度（25.3℃）和湿度条件下，利用光学多道分析仪和温度传感器，设计了不同电流下发光二极管温度和光谱特性的实验，并且对市面流行的紫光、蓝光、绿光、黄光、红光和白光等不同颜色的二极管进行了不同电流下的管温分析和光谱测试。结果表明：5种发光二极管的管温与电流呈近似线性关系，紫、蓝和黄光LED升温速率要比黄、红光LED大。5种发光二极管的峰值波长、光谱强度、半峰宽等都与电流有密切的关系。随电流增加，紫、黄和红光LED有明显的红移，绿光LED有明显的蓝移，而蓝光LED先蓝移后红移。除蓝光LED没有在所加电流范围内出现光输出饱和外，其他4种LED都有光输出饱和现象。电流的增加对不同颜色的LED半峰宽的影响不同，对红色LED宽化最显著，可达15 n m。

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