单色LED的变温光谱特性研究

李莉君，熊永红

(华中科技大学 物理学院，武汉 430074)

单色LED的变温光谱特性研究

李莉君，熊永红

(华中科技大学 物理学院，武汉 430074)

运用自制的LED物性变温测量实验装置，在30 ℃～90 ℃的温度范围内，测试了单色LED的变温光谱。通过对光谱曲线的分析和计算，得出了被测LED的峰值波长和辐射通量随温度的变化规律，并从LED的结构与材料特性原理机制两方面作了分析与探讨。

发光二极管；变温；光谱；峰值波长；辐射通量

LED的发展最早可以追溯到20世纪初，1907年，Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象[1]。由于其发出的黄光太暗，同时，碳化硅与电致发光不能很好地适应，不具备实际应用价值。随着材料科学研究与半导体加工工艺的快速发展，LED 尤其是大功率LED 发展迅速，并被应用于许多生产、生活领域。近年来，LED产品在结构和性能上都有较大的改进，在发光效率上有长足的进步，被广泛应用于交通信号显示、LCD背光源、汽车尾灯照明、全彩显示等领域。

LED的发光机理是：当在PN结上加载正向电压时，电子-空穴对在PN结过渡层中复合时产生光子，以光的形式向外辐射能量。实际的LED本体材料都存在杂质，加上材料生产工艺导致的位错等结构缺陷，发光过程中会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态过程中与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，不产生光子，这部分能量是产生热效应的主要来源。LED工作过程中出现的热效应，对其使用寿命、峰值波长及发光效率等都会产生影响[2]。本文将选取单色黄光LED，研究温度对其光谱特性的影响，并尝试从物理机制上进行分析与探讨。

1 实验装置及方案设计

图1所示为实验装置构成图。图1中，1为自制的LED光源的恒流驱动电源[3]，输出0～200 mA的电流，显示精度为1 mA；2为自制的温控仪，以半导体制冷技术为基础，具备制热、制冷功能，控温范围为0 ℃～100 ℃，控制精度为±0.1 ℃，在整个实验过程中，温控仪能有效地控制LED保持恒定的温度；3为光纤，将LED输出光传输到光纤光谱仪；4为微型光纤光谱仪，采用的是Ocean Optics的USB2000光谱仪，测量输入LED的相对光谱能量曲线；5为计算机。

图1 实验装置结构图

实验中选用的是单色黄光LED，额定功率为1 W。测量方法：分别在39 mA、49 mA、59 mA、69 mA、79 mA恒定电流条件下，对样品LED在30.0 ℃～90.0 ℃的温度范围内进行变温光谱特性测试。由测量的光谱曲线确定峰值波长，进一步对光谱曲线进行积分计算，得出样品LED辐射通量的相对值。

2 实验过程和结果

2.1 峰值波长随温度的变化

相对光谱能量曲线上最高峰值所对应的波长称为峰值波长。对于单色LED，峰值波长的变化必然导致LED发光颜色发生变化。在显示应用中，单色光的峰值波长漂移将改变整体的色彩视觉效果，因此，研究导致峰值波长变化的因素非常具有实际意义。实验中将分别研究驱动电流与温度对峰值波长的影响，所测数据如表1所示。选取驱动电流I=59 mA作LED的变温光谱曲线，如图2所示。

1)温度不变时，LED光谱的峰值波长基本不随电流变化。

表1 峰值波长与温度及电流的实验数据表

2)在某一恒定电流下，峰值波长随温度的上升而增加，发生红移现象。电流I=59 mA时，峰值波长由30.0 ℃的596 nm变为90.0 ℃的603 nm，变化量为Δλp=7nm，由此计算出，在此工作电流下，样品LED峰值波长的温度漂移系数为0.117nm·K-1。

图2 I=59 mA，LED的变温光谱曲线

从半导体的原子结构来分析，随着温度的升高，电子在晶体中的运动变得剧烈，产生能级分裂，从而使得禁带宽度变小，因此辐射波的波长会增大[4]。对于LED来说，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg，发光波长与能隙Eg之间的关系由以下公式决定[5]：

因此，温度升高产生的热效应引起的带隙收缩，将导致其峰值波长红移。

2.2 辐射通量随温度的变化

对所测的变温相对光谱能量曲线在350～1 000 nm范围内，运用以下公式进行积分，得到LED总的辐射通量的相对值。

LED的相对辐射通量与温度及电流对应关系实验数据如表2所示。

不同电流下，辐射通量随温度的变化规律曲线，如图3所示。随着温度的升高，LED的总辐射通量呈线性下降，温度越高，总辐射通量下降越快。

基于LED的结构及材料机理，主要从以下三个方面来分析温度对LED辐射通量影响的物理机制：

1) 温度升高，载流子的数量会增加，其与晶格碰撞概率增大，导致单位数量电子速度降低，载流子迁移率下降[6-7]。

2) 温度升高，禁带宽度变窄，势阱中电子与空穴的辐射复合概率降低，影响电光发光效率。另一方面，载流子浓度增加，造成非辐射复合产生热效应，从而降低LED的内量子效率。

3) 随着温度上升，荧光粉量子效率降低，导致光衰。LED的外部封装材料一般为环氧树脂，温度过高引起材料老化，也会使出光减少[8]。

半导体材料的一些物理参数会随温度发生变化，从而导致LED器件参数的变化，影响LED的光输出。大多数情况下，这种效应是可逆的，当温度回复至原值时，LED器件参数的变化会随之消失，LED的光输出也会恢复至初态值，出现恢复性的增长[9]。

表2 LED的相对辐射通量与温度及电流对应关系实验数据表

图3 LED在不同驱动电流下的相对辐射通量随温度的变化关系曲线

3 结束语

基于自制的恒流电源和温控仪，设计了实验方案，对LED的变温光谱曲线进行了测试及分析，得出了样品LED的峰值波长与温度和电流的变化关系，进一步计算得出了光的相对辐射通量与温度的关系。由实验结果看，LED工作时的热效应将对其输出光的峰值波长与辐射通量产生显著影响。本文从LED的材料及晶体结构方面分析了峰值波长及辐射通量变化的物理机制。

[1]方志烈.LED技术概论[M].上海：复旦大学出版社,2009.

[2]刘立明，郑晓东.LED结温与光谱特性关系的测量[J].光子学报,2009,38(5),1069-1072.

[3]秦玲,赖青贵,张良，等.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束,2010,22(3):553-556.

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Influence of Temperature on the LED Spectrum

LI Lijun, XIONG Yonghong

(School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Using homemade LED variable temperature measuring physics properties of experimental apparatus, at the temperature range from 30℃ to 90℃, the spectrum of monochrome LED was tested under the change of temperature. Through the analysis and calculation of the spectrum curve, LED peak wavelength and radiation flux were obtained and tested with temperature. The principle mechanism was analyzed and discussed from the LED structure and material properties.

light emitting diode；change of temperature；spectrum；peak wavelength；radiant flux

2013-11-13

李莉君(1982- )，女，硕士，工程师，主要从事实验室管理、大学物理实验教学与研究工作。

TN383

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.011