发光二极管峰值波长偏移对色度的影响

王　瑗，潘　葳，徐如凤，周　红，王锦辉

(上海交通大学 物理与天文系，上海 200240 )



发光二极管峰值波长偏移对色度的影响

王瑗，潘葳，徐如凤，周红，王锦辉

(上海交通大学 物理与天文系，上海 200240 )

摘要：利用可调恒流源控制彩色LED发光，采用多道光谱仪测量LED的光谱特性，得到峰值波长随工作电流的变化产生的偏移，并计算了由此而引起的色度值变化．

关键词：发光二极管；峰值波长偏移；色度学

1引言

大学物理实验课是国内理工科院校学生的基础实验课,但随着中国经济的快速发展和信息技术在各个领域的完全渗透,也要求它紧贴时代脉搏,有所创新. 目前,彩色半导体发光二极管(LED)的研究及开发技术发展迅速,由于制造成本的不断降低和在应用中控制技术的日益完善,使它在当今社会各领域的应用非常广泛并占据了相当重要的地位,这更使得有关其彩色计量科学的色度学研究的重要性日渐突出． 近年来国内大多数高校都在大学物理实验中开设了对半导体二极管(包括LED)这一典型的非线性元件进行伏安特性测量[1]及对彩色发光二极管LED进行光谱测量的实验,个别高校还利用彩色发光二极管LED做了测量其色度的实验[2]. 本实验在以上实验的基础上,彩色LED通电后正常工作时,测量分析光谱谱线随工作电流(或电压)的变化产生漂移的情况及由此而引起的色度值变化[3].

2实验设计

2.1　实验原理

发光二极管是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管. 其发光机理是在PN结内注入正向电流时,注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合时会把多余能量以光的形式释放出来辐射发光[4]. 制作中所用材料不同,发光波长也不同,对人眼产生的彩色刺激感觉也不同. 研究它的光谱色并对其颜色进行准确定位成为当前研究的重要内容.

当LED外加的电流或电压远远超过其额定工作值时,其光谱色会发生明显偏移,出现明显蓝移或红移,甚至造成器件损坏；当LED的工作时间已经很长,寿命变短时也会使光谱色发生偏移. 这些内容都不在此次实验设计研究的范围内. 由于大学物理实验学时和实验内容等条件的限制,实验中只让学生研究LED外加正常工作电流(0~25 mA)情况下的光谱特性及光谱色偏移情况,这不仅与LED在应用中的工作情况比较接近,还起到抛砖引玉的作用，为以后的进一步研究打下基础. 本实验主要内容有LED工作电路、光谱测量及色度值计算等.

实验研究中用到的色度学是研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用的科学. 彩色光的基本参量有明亮度、色调和饱和度,它们分别反映了光作用于人眼时引起的明亮程度感觉,物体透射或反射的光的光谱成分及彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度,色调和饱和度又称为色度. 根据色度学理论,任何颜色的光都可以被分解为3个对人眼的颜色刺激值X,Y和Z. 采用国际色度学系统——1931CIE-XYZ系统[5-6]对彩色光的颜色三刺激值和色坐标进行计算.

为此首先要对彩色LED的发光光谱进行测量. 实验使用光学多通道光谱仪测量光谱. 由于光谱仪对不同光波长的响应能力不同,必须对光谱仪进行校准. 在实际测量中选用与CIE规定的色温为2 856 K的色度学标准A[7]光源光谱最接近的卤素螺旋钨丝灯为标准光源A 进行校准.方法是在与待测的彩色光相同的测量条件下,测出标准光源A的相对功率SA测(λ)及待测光源C的相对功率SC测(λ)，代入

(1)

求出待测光源的光谱功率分布SC(λ)[5], 其中准光源A的光谱功率分布SA(λ)的相对值取自文献[8]． 将求出的SC(λ)代入

(2)

(3)

色度坐标为

(4)

其中x,y,z色度坐标分别相当于色光中红原色、绿原色和蓝原色的比例. 因此如果能计算出彩色LED的色度坐标x和y就可以在色度图中明确地标定出它的颜色特征.

2.2　实验装置及实验方法

实验测量装置的基本框图如图1所示.

图1　光谱特性测量装置的基本框图

实验测量装置主要由多通道光谱仪、CCD接收单元、数据采集系统以及计算机组成,光谱测量范围为300~900 nm, 波长精度≤±0.4 nm, 分辨率优于0.2 nm.实验选用高亮度LED,利用可调恒流源Is精确地控制LED发光,R为过流保护电阻，采用多通道光谱仪实时测量LED的光谱特性.

由于被测光源LED的发光面是圆盖形状的，光分布很特殊，测量距离不同、接收器接收面积不同都会使光强值发生变化. 为了提高测量精度，实验测量中要先将LED按图1中电路连接好，在光谱仪的光强测量范围内,调整好LED与测量仪器的方位、距离及光谱仪进光的狭缝大小,并给予固定.

测量时用高压汞灯对光谱仪定标，再测量标准A光源的光谱,然后测量LED光谱强度分布.实验中缓缓增大LED工作电流，观察谱线变化，保存不同工作电流时光谱强度分布的数据.

3实验数据及结果分析

实验以高亮度蓝光LED为例进行测量分析. 蓝光LED的无机半导体材料主要是GaN/InGaN， 峰值波长约为467 nm, 谱线半峰全度约为26 nm，光谱功率分布近于高斯分布，是很好的窄带光谱. 图2是标准光源A的测量和标准相对光谱功率SA测(λ)和SA(λ)曲线图,图3是蓝光LED相对光谱强度分布随电流变化图,图4是蓝光LED峰值波长与外加正向电流间的关系.

从图3~4中可以看出蓝光LED峰值波长λp随外加工作电流 (0～25 mA) 出现微小的谱线蓝移,向短波方向移动幅度近10 nm，这与实验所选蓝光LED的Ⅲ族氮化物半导体材料的极化效应有关. 由于Ⅲ族氮化物半导体材料在LED中的纤锌矿晶格结构缺少变换对称性所产生的自发极化以及GaN和InGaN晶格常量不匹配产生的压电极化致使量子阱内部存在很强的内电场,该内电场将阻止载流子的注入,但随着工作电流的不断加大,使多量子阱区的自由载流子增加，屏蔽了部分内电场,使量子阱中基态升高,致使蓝光LED峰值波长λp向短波方向发生移动[9].

图2　标准光源A的测量和标准相对光谱功率

图3　蓝光LED相对光谱强度分布随电流变化

图4　蓝光LED峰值波长与外加正向电流的关系

把以上测量数据代入式(1)~(4)中，计算出不同工作电流时LED各条光谱所对应的色坐标值，见表1. 在图5的色度图中分别标出它们的色坐标位置点,图5所用CIE-1931色度图取自参考文献[10] ,由于是测量同一LED, 各个色坐标点位置比较靠近,图中的点和线作得都比较小、比较细,但能看清楚图中的各点及其之间的关系,由于表1中有些点的位置是重合的,在图5不重复标注. 用折线ADEFH按工作电流逐渐增大的方向连接所标注的各主要色坐标点, 折线只表示了这些点间的先后顺序关系. 在色度图上看到的对颜色的描述更加准确形象[11].

表1　不同工作电流时LED各条光谱所对应的色坐标值

色度图上某一点处光谱的颜色就是该点的色调,该点离开白光区C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度，即饱和度. 该点越靠近C点颜色越不纯，越靠近色度图边缘的光谱轨迹颜色越纯. 从图5上标出的折线ADEFH点的位置来看, 在蓝光LED刚开始导通工作的折线ADE段，电流在0.62～8 mA之间,色坐标位置变化相对大些, 色纯度在减小;在工作稳定后的折线EFH段，工作电流在8～25 mA之间,色坐标虽然在蓝移,但变化很小很缓慢,色纯度在增大.

图5　不同工作电流时蓝光LED光谱色　在CIE-1931色度图中位置

4结束语

利用基础实验紧密联系市场实际开发了创新型综合性设计实验，由于该实验数据处理量较大,因此本文只对彩色发光二极管中的蓝光LED进行了测量计算,实际实验中学生可以很灵活地选择各种颜色的发光二极管进行测量. 通过该实验

学生对LED的发光控制、光谱测量方法及色度计算都有了比较清楚的认识，既扩展和丰富了物理实验的内容，又充分调动了学生参与实验的积极性和主动性，具有很好的通用性及实用性.

参考文献：

[1]王悦，李泽深，刘维. LED发光二极管特性测试[J]. 物理实验，2013,33(2)：21-24.

[2]苏亮，尚国庆，吴群勇，等. LED光源谱线宽度测试实验[J]. 物理实验，2014,34(7)：24-26.

[3]麻佳琪，张孟杨，杨胡江，等. 基于三基色LED的色匹配实验[J]. 物理实验，2014,34(4)：42-44

[4]何杰，夏建白. 半导体科学与技术[M]. 北京：科学出版社，2007:68-69.

[5]柯顿J R，马斯登A M. 光源与照明[M]. 上海：复旦大学出版社，2000:41-44，49-53.

[6]范志刚. 光电测试技术[M]. 北京:电子工业出版社,2004:65-89.

[7]朱小清. 照明技术手册[M]. 北京:机械工业出版社,2004:27-33.

[8]李景镇. 光学手册[M]. 西安:陕西科学技术出版社,1986:31-51.

[9]刘一兵. GaN基蓝光LED峰值波长蓝移现象分析及解决措施[J]. 湖南工业大学学报,2008,22(3):87-90.

[10]Gaga S, Evans D, Hodapp M W, et al. Optoelectronics manual [M]. New York: McGraw Hill, 1977.

[11]王瑗,黄耀青,杨文明,等. 基于发光二极管和导光板的彩色光源色度的测量 [J]. 大学物理,2005,24(9):50-54.

[责任编辑：任德香]

Experimental design of measuring the effect of peak wavelength shift of LED on chrominance

WANG Yuan, PAN Wei, XU Ru-feng, ZHOU Hong, WANG Jin-hui

(Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:LED’s lighting was controlled by adjustable constant current source. The LED’s spectra were measured by multichannel spectrometer. The peak wavelength shift of colored LED induced by the normal working current was obtained, and the corresponding variation of the chrominance was calculated.

Key words:light emitting diode; peak wavelength shift; colorimetry

中图分类号：O433.1；O432.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)02-0008-04

作者简介：王瑗(1963-)，女，江苏常州人，上海交通大学物理系高级工程师，硕士，从事物理实验教学研究与仪器开发工作．

收稿日期：2014-06-20；修改日期：2014-08-27

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文