环境温度和驱动电流对LED的峰值波长的影响

刘旭文，林上飞，刘木清

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433; 2.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；3.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433)

引言

发光二极管(light emitting diode,LED)因其节能高效、稳定、无污染等优点，近些年来获得了人们的广泛关注，且随着半导体技术的不断发展，LED的价格也将逐渐降低，LED有潜力成为未来照明市场最主要的绿色光源之一。随着人们生活水平的提高，人们对照明品质的要求也随之提升，光源的发光特性决定了其照明品质。LED是一种电致发光器件，电流是影响其发光特性的一个重要因素，方晶璐等[1]发现电流对LED的光通量和主波长有较大影响，且电流变化会带来LED相关色温的变化。何欣等[2]还发现正向电流的增加会导致红光LED光谱发生红移，使LED色坐标改变。董向成等[3]发现驱动电流可以提高白光LED的色温。此外，温度也是一个影响LED发光特性的重要因素，近些年来，有不少研究表明温度对LED的光通量、峰值波长、发光功率等光电参数具有一定的影响[4-9]。

本文主要研究3种不同环境温度和10种不同的驱动电流模式对可见光波段范围内的13种LED的峰值波长偏移的影响，并对影响结果进行分析。

1 实验设计

1)13种不同峰值波长的LED。在可见光波段380～780 nm区间内选取峰值波长不同的13种单色光LED进行实验。LED的相对光谱能量分布由SPIC-200照度计进行测量，照度计的光谱分辨力为1 nm。表1是本次实验挑选的13种LED的峰值波长和半带宽，图1是本次实验挑选的13种LED在相同的直流稳态电流模式条件下的光谱图。

2)10种不同占空比的驱动电流模式。为研究驱动电流对LED峰值波长的影响，本实验采用了10种不同的电流模式。控制平均电流70 mA不变，通过PWM技术调控占空比，使得不同电流模式下的脉冲电流峰值不同。本实验采用10种不同的占空比，从而得到10种不同的电流模式，表2是本实验采用的10种电流模式。

表1 13种LED的峰值波长和半带宽

图1 13种LED在相同电流模式下的光谱图

3)3种不同的环境温度。本次实验选择20 ℃、50 ℃、80 ℃三种环境温度进行探究。将LED放置于加热平台上，且使得LED充分受热，使得LED温度与加热平台温度趋于一致，然后点亮LED。通过改变加热平台的温度以起到改变LED工作环境温度的效果，以便于实现室温下无法达到的温度，如50 ℃和80 ℃。

表2 10种不同电流模式

4)实验方法。在20 ℃、50 ℃、80 ℃的加热平台上，放置选好的13种不同峰值波长的LED，然后用10种不同的电流模式去点亮LED，使用SPIC-200照度计测出在不同的温度和不同电流模式下LED的峰值波长，记录下13种LED在不同温度和不同电流模式下的峰值波长，并对记录结果进行分析，使用MATLAB对实验数据进行画图。

2 实验结果与讨论

2.1 驱动电流对LED峰值波长的影响

在室温20 ℃条件下，对13种不同波长单色LED施加均值均为70 mA的电流，通过PWM调节电流的占空比，从而改变峰值电流，得到10种不同的电流模式，点亮LED，用照度计测出LED在不同电流模式下的峰值波长。表3是室温20 ℃下13种LED在10种电流模式下的峰值波长。

根据表3实验数据，我们发现，在室温20 ℃条件下，控制LED驱动电流不变，改变电流占空比，进而改变驱动电流的峰值，可以改变LED的峰值波长。当驱动电流峰值从70～700 mA变化时，LED6和LED7的峰值波长移动了6 nm。图2是LED6(直流稳态电流驱动下峰值波长为497 nm)在10种不同驱动电流下的光谱图。随着驱动电流的占空比增大，LED的峰值波长逐渐增大。

表3 13种LED在10种电流模式下的峰值波长

图2 LED6在10种驱动电流模式下的光谱图

根据表3实验数据，我们还发现波长为415～531 nm区间内的LED的峰值波长随着驱动电流占空比的增加而增大，即随着峰值电流的增大而降低；波长在591～745 nm区间内的LED的峰值波长随着驱动电流占空比的增加而减小，即随着驱动电流峰值的增加而增大。图3是在室温20 ℃条件下，13种LED在10种驱动电流模式下的峰值波长偏移量，其中Δλmax为最大的驱动电流峰值下的LED峰值波长与最小的驱动电流峰值下的LED峰值波长差。图3中横坐标是13种LED的标签，根据波长的大小，从蓝光到红光给LED定好标签从1～13。从图3中可以发现驱动电流对LED6(497 nm)、LED7(531 nm)得峰值波长偏移得影响效果最明显，且在波长415～531 nm范围内，随着波长的增大，驱动电流占空比的变化对LED峰值波长偏移的效果越明显，在波长591～740 nm范围内，驱动电流的占空比变化对LED峰值波长的影响并没有明显趋势显示与波长有关。

2.2 环境温度对LED峰值波长的影响

本实验选取20 ℃、50 ℃、80 ℃三种不同的且等差的环境温度，来探究环境温度对LED峰值波长的影响。表4是13种LED在3种不同的温度条件下，施加占空比为100%的电流的峰值波长。从表3实验数据中，我们可以发现，随着环境温度的升高，所有LED的峰值波长都增大。我们知道LED的峰值波长与结温有关，PN结温度升高产生的热效应引起的带隙收缩，晶体中的电子运动速度增大，能级分裂，最终导致禁带宽度Eg减小，LED发光的波长公式λ=1240/Eg，Eg减小，导致λ增大，出现峰值波长红移。图4是波长为740 nm的LED在驱动电流的峰值与均值均为70 mA，占空比为100%，三种不同环境温度下的发光光谱图。

表4 13种LED在3种环境温度下的峰值波长

既然环境温度的上升可以使得LED结温上升，从而使LED峰值波长增大，那么环境温度对不同波长的LED峰值波长红移的程度是怎样呢？图5展示了不同环境温度对13种LED峰值波长红移的影响程度。λp20 ℃、λp50 ℃、λp80 ℃分别代表在20 ℃、50 ℃、80 ℃温度环境下LED的峰值波长,每个LED的驱动电流均的峰值和均值均为70 mA，占空比为100%。从图5可以发现，随着标签号的变大，即随着波长的增大，温度对LED峰值波长的影响效果越大，即红移程度越大，图中显示，对于蓝光LED，30 ℃的温度差对LED峰值波长的影响只有1～2 nm，而对于红光LED，尤其是波长为740 nm的红光LED，30 ℃的温度差即可使得LED峰值波长红移5 nm。对比图5(a)和(b)，可以发现，温度从20 ℃上升到50 ℃，与温度从50 ℃上升到80 ℃相比，虽然温度的上升区间不同，但温差相同的情况下，13种LED的峰值波长红移程度也大致相同，这说明LED的峰值波长与环境温度或者结温之间具有良好的线性关系，这与左佳奇等[10]在2015年的研究结果基本相同。

图6 在不同温度条件下驱动电流对LED峰值波长的影响

图5 13种LED在不同温度条件下的峰值波长差

环境温度可以对所有LED的峰值波长具有影响，可以使得LED波长发生红移，上文中我们也发现不同的驱动电流模式可以影响LED的峰值波长，且对于波长在500 nm左右的LED的峰值波长影响效果最明显。那么在驱动电流影响LED峰值波长，使峰值波长移动时，环境温度是否也会参与影响呢？图6展示了在20 ℃、50 ℃、80 ℃三种不同环境温度条件下，10种电流模式下，13种LED的峰值波长最大偏移差。可以发现在三种不同的温度下，驱动电流对LED峰值波长的影响结果基本相同，这也就说明了，在不同的温度条件下，驱动电流对LED峰值波长移动的影响效果基本相同，环境温度并不能明显改变驱动电流对不同LED峰值波长的影响机制和效果。

我们发现驱动电流与环境温度都可以影响LED的峰值波长，那么将驱动电流与环境温度这两个影响因子共同作用于LED，对LED的峰值波长偏移的影响效果又将会是是怎样的呢？本实验将13种LED分别置于温度为20 ℃、50 ℃、80 ℃的加热平台上，用10种不同的电流模式驱动下点亮LED，每个LED测得30种条件下得峰值波长，取其中最大波长与最小波长，然后求最大差值Δλmax。图7展示了13种LED在驱动电流与环境温度共同作用下的最大峰值波长移动Δλmax。可以发现，在驱动电流与环境温度共同作用下，LED峰值波长的最大移动量Δλmax进一步增大，740 nm的单色LED(13号LED)在这两种因素作用下波长出现了12 nm的红移。

图7 13种LED在驱动电流与温度共同作用下的最大波长移动

3 结论

本实验选用了13种不同波长的LED、3种不同的环境温度、10种不同的驱动电流模式，来探究环境温度和驱动电流对LED峰值波长的影响。通过本次实验，我们得出以下结论：

1)在相同温度情况下，415～531 nm波长区间的LED的峰值波长随着驱动电流占空比的增加而增加，在591～740 nm波长区间的LED的峰值波长随着驱动电流占空比的增加而减小。

2)在相同模式电流驱动下，随着环境温度的升高，所有不同波长类型的LED的峰值波长都增加，即发生红移，且LED峰值波长的移动量与温差之间具有很好的线性关系。

3)环境温度的升高可以使得LED波长增大，且这种波长增大量与LED本身波长相关，温度使红光LED波长增大量Δλ红明显比蓝光LED波长增大量Δλ蓝要高。

4)环境温度与驱动电流共同作用下，可以使得LED峰值波长出现更大的偏移量，两种因素对LED峰值波长的影响效果可以叠加。