單色LED的變溫光譜特性研究

李莉君，熊永紅

(華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，武漢 430074)

單色LED的變溫光譜特性研究

李莉君，熊永紅

(華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，武漢 430074)

運(yùn)用自制的LED物性變溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，在30 ℃～90 ℃的溫度范圍內(nèi)，測(cè)試了單色LED的變溫光譜。通過對(duì)光譜曲線的分析和計(jì)算，得出了被測(cè)LED的峰值波長(zhǎng)和輻射通量隨溫度的變化規(guī)律，并從LED的結(jié)構(gòu)與材料特性原理機(jī)制兩方面作了分析與探討。

發(fā)光二極管；變溫；光譜；峰值波長(zhǎng)；輻射通量

LED的發(fā)展最早可以追溯到20世紀(jì)初，1907年，Henry Joseph Round第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象[1]。由于其發(fā)出的黃光太暗，同時(shí)，碳化硅與電致發(fā)光不能很好地適應(yīng)，不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著材料科學(xué)研究與半導(dǎo)體加工工藝的快速發(fā)展，LED 尤其是大功率LED 發(fā)展迅速，并被應(yīng)用于許多生產(chǎn)、生活領(lǐng)域。近年來，LED產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，在發(fā)光效率上有長(zhǎng)足的進(jìn)步，被廣泛應(yīng)用于交通信號(hào)顯示、LCD背光源、汽車尾燈照明、全彩顯示等領(lǐng)域。

LED的發(fā)光機(jī)理是：當(dāng)在PN結(jié)上加載正向電壓時(shí)，電子-空穴對(duì)在PN結(jié)過渡層中復(fù)合時(shí)產(chǎn)生光子，以光的形式向外輻射能量。實(shí)際的LED本體材料都存在雜質(zhì)，加上材料生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，發(fā)光過程中會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)過程中與晶格原子或離子交換能量時(shí)發(fā)生無輻射躍遷，不產(chǎn)生光子，這部分能量是產(chǎn)生熱效應(yīng)的主要來源。LED工作過程中出現(xiàn)的熱效應(yīng)，對(duì)其使用壽命、峰值波長(zhǎng)及發(fā)光效率等都會(huì)產(chǎn)生影響[2]。本文將選取單色黃光LED，研究溫度對(duì)其光譜特性的影響，并嘗試從物理機(jī)制上進(jìn)行分析與探討。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成圖。圖1中，1為自制的LED光源的恒流驅(qū)動(dòng)電源[3]，輸出0～200 mA的電流，顯示精度為1 mA；2為自制的溫控儀，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為基礎(chǔ)，具備制熱、制冷功能，控溫范圍為0 ℃～100 ℃，控制精度為±0.1 ℃，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，溫控儀能有效地控制LED保持恒定的溫度；3為光纖，將LED輸出光傳輸?shù)焦饫w光譜儀；4為微型光纖光譜儀，采用的是Ocean Optics的USB2000光譜儀，測(cè)量輸入LED的相對(duì)光譜能量曲線；5為計(jì)算機(jī)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中選用的是單色黃光LED，額定功率為1 W。測(cè)量方法：分別在39 mA、49 mA、59 mA、69 mA、79 mA恒定電流條件下，對(duì)樣品LED在30.0 ℃～90.0 ℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行變溫光譜特性測(cè)試。由測(cè)量的光譜曲線確定峰值波長(zhǎng)，進(jìn)一步對(duì)光譜曲線進(jìn)行積分計(jì)算，得出樣品LED輻射通量的相對(duì)值。

2 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

2.1 峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化

相對(duì)光譜能量曲線上最高峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。對(duì)于單色LED，峰值波長(zhǎng)的變化必然導(dǎo)致LED發(fā)光顏色發(fā)生變化。在顯示應(yīng)用中，單色光的峰值波長(zhǎng)漂移將改變整體的色彩視覺效果，因此，研究導(dǎo)致峰值波長(zhǎng)變化的因素非常具有實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)中將分別研究驅(qū)動(dòng)電流與溫度對(duì)峰值波長(zhǎng)的影響，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。選取驅(qū)動(dòng)電流I=59 mA作LED的變溫光譜曲線，如圖2所示。

1)溫度不變時(shí)，LED光譜的峰值波長(zhǎng)基本不隨電流變化。

表1 峰值波長(zhǎng)與溫度及電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2)在某一恒定電流下，峰值波長(zhǎng)隨溫度的上升而增加，發(fā)生紅移現(xiàn)象。電流I=59 mA時(shí)，峰值波長(zhǎng)由30.0 ℃的596 nm變?yōu)?0.0 ℃的603 nm，變化量為Δλp=7nm，由此計(jì)算出，在此工作電流下，樣品LED峰值波長(zhǎng)的溫度漂移系數(shù)為0.117nm·K-1。

圖2 I=59 mA，LED的變溫光譜曲線

從半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)來分析，隨著溫度的升高，電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)變得劇烈，產(chǎn)生能級(jí)分裂，從而使得禁帶寬度變小，因此輻射波的波長(zhǎng)會(huì)增大[4]。對(duì)于LED來說，發(fā)光的波長(zhǎng)或頻率取決于選用的半導(dǎo)體材料的能隙Eg，發(fā)光波長(zhǎng)與能隙Eg之間的關(guān)系由以下公式?jīng)Q定[5]：

因此，溫度升高產(chǎn)生的熱效應(yīng)引起的帶隙收縮，將導(dǎo)致其峰值波長(zhǎng)紅移。

2.2 輻射通量隨溫度的變化

對(duì)所測(cè)的變溫相對(duì)光譜能量曲線在350～1 000 nm范圍內(nèi)，運(yùn)用以下公式進(jìn)行積分，得到LED總的輻射通量的相對(duì)值。

LED的相對(duì)輻射通量與溫度及電流對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

不同電流下，輻射通量隨溫度的變化規(guī)律曲線，如圖3所示。隨著溫度的升高，LED的總輻射通量呈線性下降，溫度越高，總輻射通量下降越快。

基于LED的結(jié)構(gòu)及材料機(jī)理，主要從以下三個(gè)方面來分析溫度對(duì)LED輻射通量影響的物理機(jī)制：

1) 溫度升高，載流子的數(shù)量會(huì)增加，其與晶格碰撞概率增大，導(dǎo)致單位數(shù)量電子速度降低，載流子遷移率下降[6-7]。

2) 溫度升高，禁帶寬度變窄，勢(shì)阱中電子與空穴的輻射復(fù)合概率降低，影響電光發(fā)光效率。另一方面，載流子濃度增加，造成非輻射復(fù)合產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而降低LED的內(nèi)量子效率。

3) 隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，導(dǎo)致光衰。LED的外部封裝材料一般為環(huán)氧樹脂，溫度過高引起材料老化，也會(huì)使出光減少[8]。

半導(dǎo)體材料的一些物理參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致LED器件參數(shù)的變化，影響LED的光輸出。大多數(shù)情況下，這種效應(yīng)是可逆的，當(dāng)溫度回復(fù)至原值時(shí)，LED器件參數(shù)的變化會(huì)隨之消失，LED的光輸出也會(huì)恢復(fù)至初態(tài)值，出現(xiàn)恢復(fù)性的增長(zhǎng)[9]。

表2 LED的相對(duì)輻射通量與溫度及電流對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 LED在不同驅(qū)動(dòng)電流下的相對(duì)輻射通量隨溫度的變化關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

基于自制的恒流電源和溫控儀，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)LED的變溫光譜曲線進(jìn)行了測(cè)試及分析，得出了樣品LED的峰值波長(zhǎng)與溫度和電流的變化關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算得出了光的相對(duì)輻射通量與溫度的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，LED工作時(shí)的熱效應(yīng)將對(duì)其輸出光的峰值波長(zhǎng)與輻射通量產(chǎn)生顯著影響。本文從LED的材料及晶體結(jié)構(gòu)方面分析了峰值波長(zhǎng)及輻射通量變化的物理機(jī)制。

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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，碩士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)室管理、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作。

TN383

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.011