環境溫度和驅動電流對LED的峰值波長的影響

劉旭文，林上飛，劉木清

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433; 2.復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；3.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433)

引言

發光二極管(light emitting diode,LED)因其節能高效、穩定、無污染等優點，近些年來獲得了人們的廣泛關注，且隨著半導體技術的不斷發展，LED的價格也將逐漸降低，LED有潛力成為未來照明市場最主要的綠色光源之一。隨著人們生活水平的提高，人們對照明品質的要求也隨之提升，光源的發光特性決定了其照明品質。LED是一種電致發光器件，電流是影響其發光特性的一個重要因素，方晶璐等[1]發現電流對LED的光通量和主波長有較大影響，且電流變化會帶來LED相關色溫的變化。何欣等[2]還發現正向電流的增加會導致紅光LED光譜發生紅移，使LED色坐標改變。董向成等[3]發現驅動電流可以提高白光LED的色溫。此外，溫度也是一個影響LED發光特性的重要因素，近些年來，有不少研究表明溫度對LED的光通量、峰值波長、發光功率等光電參數具有一定的影響[4-9]。

本文主要研究3種不同環境溫度和10種不同的驅動電流模式對可見光波段范圍內的13種LED的峰值波長偏移的影響，并對影響結果進行分析。

1 實驗設計

1)13種不同峰值波長的LED。在可見光波段380～780 nm區間內選取峰值波長不同的13種單色光LED進行實驗。LED的相對光譜能量分布由SPIC-200照度計進行測量，照度計的光譜分辨力為1 nm。表1是本次實驗挑選的13種LED的峰值波長和半帶寬，圖1是本次實驗挑選的13種LED在相同的直流穩態電流模式條件下的光譜圖。

2)10種不同占空比的驅動電流模式。為研究驅動電流對LED峰值波長的影響，本實驗采用了10種不同的電流模式。控制平均電流70 mA不變，通過PWM技術調控占空比，使得不同電流模式下的脈沖電流峰值不同。本實驗采用10種不同的占空比，從而得到10種不同的電流模式，表2是本實驗采用的10種電流模式。

表1 13種LED的峰值波長和半帶寬

圖1 13種LED在相同電流模式下的光譜圖

3)3種不同的環境溫度。本次實驗選擇20 ℃、50 ℃、80 ℃三種環境溫度進行探究。將LED放置于加熱平臺上，且使得LED充分受熱，使得LED溫度與加熱平臺溫度趨于一致，然后點亮LED。通過改變加熱平臺的溫度以起到改變LED工作環境溫度的效果，以便于實現室溫下無法達到的溫度，如50 ℃和80 ℃。

表2 10種不同電流模式

4)實驗方法。在20 ℃、50 ℃、80 ℃的加熱平臺上，放置選好的13種不同峰值波長的LED，然后用10種不同的電流模式去點亮LED，使用SPIC-200照度計測出在不同的溫度和不同電流模式下LED的峰值波長，記錄下13種LED在不同溫度和不同電流模式下的峰值波長，并對記錄結果進行分析，使用MATLAB對實驗數據進行畫圖。

2 實驗結果與討論

2.1 驅動電流對LED峰值波長的影響

在室溫20 ℃條件下，對13種不同波長單色LED施加均值均為70 mA的電流，通過PWM調節電流的占空比，從而改變峰值電流，得到10種不同的電流模式，點亮LED，用照度計測出LED在不同電流模式下的峰值波長。表3是室溫20 ℃下13種LED在10種電流模式下的峰值波長。

根據表3實驗數據，我們發現，在室溫20 ℃條件下，控制LED驅動電流不變，改變電流占空比，進而改變驅動電流的峰值，可以改變LED的峰值波長。當驅動電流峰值從70～700 mA變化時，LED6和LED7的峰值波長移動了6 nm。圖2是LED6(直流穩態電流驅動下峰值波長為497 nm)在10種不同驅動電流下的光譜圖。隨著驅動電流的占空比增大，LED的峰值波長逐漸增大。

表3 13種LED在10種電流模式下的峰值波長

圖2 LED6在10種驅動電流模式下的光譜圖

根據表3實驗數據，我們還發現波長為415～531 nm區間內的LED的峰值波長隨著驅動電流占空比的增加而增大，即隨著峰值電流的增大而降低；波長在591～745 nm區間內的LED的峰值波長隨著驅動電流占空比的增加而減小，即隨著驅動電流峰值的增加而增大。圖3是在室溫20 ℃條件下，13種LED在10種驅動電流模式下的峰值波長偏移量，其中Δλmax為最大的驅動電流峰值下的LED峰值波長與最小的驅動電流峰值下的LED峰值波長差。圖3中橫坐標是13種LED的標簽，根據波長的大小，從藍光到紅光給LED定好標簽從1～13。從圖3中可以發現驅動電流對LED6(497 nm)、LED7(531 nm)得峰值波長偏移得影響效果最明顯，且在波長415～531 nm范圍內，隨著波長的增大，驅動電流占空比的變化對LED峰值波長偏移的效果越明顯，在波長591～740 nm范圍內，驅動電流的占空比變化對LED峰值波長的影響并沒有明顯趨勢顯示與波長有關。

2.2 環境溫度對LED峰值波長的影響

本實驗選取20 ℃、50 ℃、80 ℃三種不同的且等差的環境溫度，來探究環境溫度對LED峰值波長的影響。表4是13種LED在3種不同的溫度條件下，施加占空比為100%的電流的峰值波長。從表3實驗數據中，我們可以發現，隨著環境溫度的升高，所有LED的峰值波長都增大。我們知道LED的峰值波長與結溫有關，PN結溫度升高產生的熱效應引起的帶隙收縮，晶體中的電子運動速度增大，能級分裂，最終導致禁帶寬度Eg減小，LED發光的波長公式λ=1240/Eg，Eg減小，導致λ增大，出現峰值波長紅移。圖4是波長為740 nm的LED在驅動電流的峰值與均值均為70 mA，占空比為100%，三種不同環境溫度下的發光光譜圖。

表4 13種LED在3種環境溫度下的峰值波長

既然環境溫度的上升可以使得LED結溫上升，從而使LED峰值波長增大，那么環境溫度對不同波長的LED峰值波長紅移的程度是怎樣呢？圖5展示了不同環境溫度對13種LED峰值波長紅移的影響程度。λp20 ℃、λp50 ℃、λp80 ℃分別代表在20 ℃、50 ℃、80 ℃溫度環境下LED的峰值波長,每個LED的驅動電流均的峰值和均值均為70 mA，占空比為100%。從圖5可以發現，隨著標簽號的變大，即隨著波長的增大，溫度對LED峰值波長的影響效果越大，即紅移程度越大，圖中顯示，對于藍光LED，30 ℃的溫度差對LED峰值波長的影響只有1～2 nm，而對于紅光LED，尤其是波長為740 nm的紅光LED，30 ℃的溫度差即可使得LED峰值波長紅移5 nm。對比圖5(a)和(b)，可以發現，溫度從20 ℃上升到50 ℃，與溫度從50 ℃上升到80 ℃相比，雖然溫度的上升區間不同，但溫差相同的情況下，13種LED的峰值波長紅移程度也大致相同，這說明LED的峰值波長與環境溫度或者結溫之間具有良好的線性關系，這與左佳奇等[10]在2015年的研究結果基本相同。

圖6 在不同溫度條件下驅動電流對LED峰值波長的影響

圖5 13種LED在不同溫度條件下的峰值波長差

環境溫度可以對所有LED的峰值波長具有影響，可以使得LED波長發生紅移，上文中我們也發現不同的驅動電流模式可以影響LED的峰值波長，且對于波長在500 nm左右的LED的峰值波長影響效果最明顯。那么在驅動電流影響LED峰值波長，使峰值波長移動時，環境溫度是否也會參與影響呢？圖6展示了在20 ℃、50 ℃、80 ℃三種不同環境溫度條件下，10種電流模式下，13種LED的峰值波長最大偏移差。可以發現在三種不同的溫度下，驅動電流對LED峰值波長的影響結果基本相同，這也就說明了，在不同的溫度條件下，驅動電流對LED峰值波長移動的影響效果基本相同，環境溫度并不能明顯改變驅動電流對不同LED峰值波長的影響機制和效果。

我們發現驅動電流與環境溫度都可以影響LED的峰值波長，那么將驅動電流與環境溫度這兩個影響因子共同作用于LED，對LED的峰值波長偏移的影響效果又將會是是怎樣的呢？本實驗將13種LED分別置于溫度為20 ℃、50 ℃、80 ℃的加熱平臺上，用10種不同的電流模式驅動下點亮LED，每個LED測得30種條件下得峰值波長，取其中最大波長與最小波長，然后求最大差值Δλmax。圖7展示了13種LED在驅動電流與環境溫度共同作用下的最大峰值波長移動Δλmax。可以發現，在驅動電流與環境溫度共同作用下，LED峰值波長的最大移動量Δλmax進一步增大，740 nm的單色LED(13號LED)在這兩種因素作用下波長出現了12 nm的紅移。

圖7 13種LED在驅動電流與溫度共同作用下的最大波長移動

3 結論

本實驗選用了13種不同波長的LED、3種不同的環境溫度、10種不同的驅動電流模式，來探究環境溫度和驅動電流對LED峰值波長的影響。通過本次實驗，我們得出以下結論：

1)在相同溫度情況下，415～531 nm波長區間的LED的峰值波長隨著驅動電流占空比的增加而增加，在591～740 nm波長區間的LED的峰值波長隨著驅動電流占空比的增加而減小。

2)在相同模式電流驅動下，隨著環境溫度的升高，所有不同波長類型的LED的峰值波長都增加，即發生紅移，且LED峰值波長的移動量與溫差之間具有很好的線性關系。

3)環境溫度的升高可以使得LED波長增大，且這種波長增大量與LED本身波長相關，溫度使紅光LED波長增大量Δλ紅明顯比藍光LED波長增大量Δλ藍要高。

4)環境溫度與驅動電流共同作用下，可以使得LED峰值波長出現更大的偏移量，兩種因素對LED峰值波長的影響效果可以疊加。