李月鋒，黃耀清，王 歡

（上海應用技術(shù)學院，上海 201418）

發(fā)光二極管（LED）是一種電致發(fā)光器件，具有工作電壓低、功耗小、體積小、重量輕、易于和集成電路相匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、性能穩(wěn)定、響應速度快等一系列優(yōu)點，因此它被廣泛地應用于各種領(lǐng)域［1－3］.隨著應用范圍的擴大，研究發(fā)光二極管的特性也變得越來越重要.LED驅(qū)動電流的增加，會導致LED溫度升高，而LED是一個溫度依賴性較強的光源，并且過高的溫度會影響LED的壽命和可靠性［4－5］，因此了解電流對LED溫度的影響以及由此引起的光譜變化非常重要。文章實驗研究了市面上銷售的紫光、藍光、綠光、黃光和紅光5種LED隨電流的增加管腳溫度的變化以及發(fā)光波長特性。其中LED的管腳溫度用溫度傳感器測量，發(fā)光波長用光學多道分析儀測量。

1 LED工作原理

LED是把電能轉(zhuǎn)化成光能的半導體器件。LED與普通二極管一樣由一個PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合，復合釋放的能量以光的形式釋放出來，從而能直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。不同顏色的LED所用的材料不同，理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即：λ≈1 240 Eg／nm。根據(jù)材料禁帶寬度（3.26～1.63 e V），可以制作出波長在380～780 nm范圍內(nèi)的可見光。目前市場上比較常見的發(fā)光二極管有紫光、藍光、綠光、黃光和紅光等不同顏色的二極管。

2 實 驗

2.1 試件

本實驗中LED是市場上普遍流行的普通LED，具體試件如下：

表1 測試用LED基本概況

2.2 試驗裝置與測試過程

圖1是LED測量的實驗裝置示意圖。自制的LED支架2可以方便的固定LED1以及測量電路和熱電阻3（Pt100標準熱電阻）。熱電阻被焊接在LED的陽極管腳上，它的電阻值由數(shù)顯溫度計測溫儀5（DM6801 A）來測量。電源5（上海交通大學物理實驗中心生產(chǎn)的直流恒流源，0～200 mA）給LED提供驅(qū)動直流。LED發(fā)出的光通過透鏡6匯聚后進入光學多道分析儀7（WGD－6型）。計算機8連接在光學多道分析儀上用來分析光學測量的結(jié)果。

圖1 實驗裝置示意圖

LED的額定電流一般為20 mA，測量過程中不斷增大電流，同時測量二極管溫度和譜線的變化。直流恒流源有兩個量程，0～20 mA和0～200 mA，測量過程中，為了測量數(shù)據(jù)盡可能充分，在0～20 mA量程，從5 mA開始，每增加5 mA測一組數(shù)據(jù)，直到15 mA，在20～200 mA范圍內(nèi)，從20 mA開始，每增加20 mA測一組數(shù)據(jù)，直到LED損壞為止。測量環(huán)境溫度在25.3℃的室溫下進行。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 發(fā)光二極管溫度隨電流的變化

圖2是5種不同顏色LED溫度隨電流的變化情況。隨驅(qū)動電流的增大，LED的溫度不斷升高。這是由于隨著驅(qū)動電流的加大，會引起LED內(nèi)部產(chǎn)生電流擁擠效應，導致非輻射復合能量增大，LED溫度升高，并且隨LED溫度增高，LED材料熱導率下降，從而形成惡性循環(huán)，加劇了這種變化趨勢［4，5］。

圖2 不同類型LED溫度隨電流的變化

同時還可以得知，除了綠光LED和黃光LED在40 mA和15 mA以下，有些波動之外，其他顏光LED及綠、黃光LED隨后階段，溫度隨電流呈近似線性增加。紫、藍和綠光LED增加的速率要大一些，通過線性擬合，得到它們的近似斜率分別為0.39℃／mA，0.33℃／mA和0.54℃／mA，黃光LED和紅光LED增加速率要小一些，它們分別為0.18℃／mA 和0.10℃／mA。藍、黃和紅光LED的工作極限溫度較低，分別為53.7℃、54.1℃和35℃，而紫和綠光LED極限工作溫度在70℃附近。這種區(qū)別主要是材料禁帶寬度差異，在相同輸入電流下In Ga N材料制作的LED電壓值要高于Al GaIn P材料制作的紅光、橙光LED，其電功率轉(zhuǎn)換成熱功率的值仍要大于紅光、橙光LED。即在相同驅(qū)動電流下，In－Ga N材料LED產(chǎn)生的熱功率要大于Al GaIn P材料的紅光、橙光 LED［6］。

3.2 不同電流下LED的波長變化

圖3 不同電流下紫光LED波長變化

圖4 不同電流下藍光LED波長變化

圖3所示是紫光發(fā)光二極管在5～100 mA正向電流下的光譜。藍光的峰值波長在410 n m左右，隨電流的增加，發(fā)生了紅移，變化幅度為7 n m左右，這是因為LED溫度升高，禁帶寬度隨著溫度的升高而收縮，發(fā)射出的光子能量降低，造成峰值波長向長波漂移，光譜分布也隨之移動［4，8－9］。在電流 為 10 和 15 mA 附 近，峰 值 波 長有波動，幅度沒有超過1 n m（圖8）.LED光輸出功率（相對強度）隨電流增加而不斷增大，但在電流為60 mA時光輸出會出現(xiàn)飽和，在飽和區(qū)域，光輸出不再隨著注入電流增加而增加，反而會下降，熱的產(chǎn)生是光功率飽和的主要原因［7］。光譜的半峰寬在19 n m附近，隨電流的增加也發(fā)生了一定的變化，總的趨勢是隨電流的增加變寬，總幅度在3.5 n m以內(nèi)，但是不同電流下有波動（表2）.晶格振動隨LED溫度升高而加劇，晶格弛豫能量相應變大，處于激發(fā)態(tài)的電子先躍遷到較高的振動態(tài)，后至基態(tài)，使得發(fā)射光譜逐步展寬。并且隨著電流注入增大，載流子密度增大，引起帶隙收縮效應和能帶填充效應，相應的使發(fā)射波長產(chǎn)生影響，導致發(fā)光光譜寬化［9］。

圖5 不同電流下綠光LED波長變化

圖6 不同電流下黃光LED波長變化

圖4所示是藍光發(fā)光二極管在5～100 mA正向電流下的光譜。藍光的峰值波長在460 n m左右，隨電流的增加，先發(fā)生了藍移隨后發(fā)生了紅移，變化幅度為－1.9～3.5 n m。這與Ⅲ族氮化物半導體材料的極化效應有關(guān)，氮化物本身的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在著自發(fā)極化，而In Ga N和Ga N晶格常數(shù)不匹配產(chǎn)生的應力導致出現(xiàn)壓電極化現(xiàn)象，自發(fā)極化和壓電極化的共同作用致使量子阱內(nèi)部存在一很強的電場。這個內(nèi)建電場的存在導致顯著的量子限制斯塔克效應［10］，量子阱中的能帶發(fā)生傾斜；隨著注入電流的增大，多量子阱區(qū)的自由載流子增加，阱中基態(tài)升高，從而使LED的峰值波長向短波方向移動［11］。在電流較小時，LED升高不明顯，這時候“藍移”起主要作用；當電流逐漸增大，LED溫度升高，這時候LED升高導致的紅移變得重要，可能抵消藍移甚至起主要作用［12］。LED光輸出功率隨電流增加而不斷增大，但未出現(xiàn)飽和（圖8）。光譜的半峰寬在19 nm附近，隨電流的增加變寬，寬化幅度最大可達在10 nm左右。

圖5所示是綠光發(fā)光二極管在5～120 mA正向電流下的光譜。綠光的峰值波長在520 n m左右，隨電流的增加，總的趨勢是發(fā)生了藍移，變化幅度為－4.3 n m。電流在5～40 mA范圍內(nèi)有較小的波動，波動幅度沒有超過2.3 n m（圖8）.LED光輸出功率隨電流先增加（5～15 mA）后減?。?5～40 mA），隨后又增大（40～80 mA），在80 mA光輸出飽和，隨后減?。▓D8）。光譜的半峰寬在39 n m附近，隨電流的增加而變化，沒有明顯的變化規(guī)律，變化幅度在－5.7～6.8 n m之間。

圖7 不同電流下紅光LED波長變化

圖8 不同顏光LED峰值波長的變化

表2 不同顏色LED半峰寬隨電流的變化

圖6所示是黃光發(fā)光二極管在5～160 mA正向電流下的光譜。黃光的峰值波長在590 n m左右，隨電流的增加，發(fā)生了紅移，變化幅度為7.9 n m。電流在15～20 mA范圍內(nèi)有較小的波動（見圖8）.LED光輸出功率隨電流增加而增大，在60 mA光輸出飽和，隨后減?。ㄒ妶D8）。光譜的半峰寬在12 n m附近，隨電流的增加而不斷寬化，寬化幅度最大可達在15 n m左右。圖7所示是紅光發(fā)光二極管在5～80 mA正向電流下的光譜。紅光的峰值波長在650 n m左右，隨電流的增加，發(fā)生了紅移，變化幅度為13.7 n m（見圖8）。LED光輸出功率隨電流增加而增大，在20 mA光輸出飽和，隨后減?。ㄒ妶D8）。光譜的半峰寬在15 n m附近，隨電流的增加而不斷寬化，寬化幅度最大可達在15 n m左右。

不同顏色LED半峰寬隨電流的變化見表2。

4 結(jié) 論

在相同的溫度（25.3℃）和濕度條件下，利用光學多道分析儀和溫度傳感器，設(shè)計了不同電流下發(fā)光二極管溫度和光譜特性的實驗，并且對市面流行的紫光、藍光、綠光、黃光、紅光和白光等不同顏色的二極管進行了不同電流下的管溫分析和光譜測試。結(jié)果表明：5種發(fā)光二極管的管溫與電流呈近似線性關(guān)系，紫、藍和黃光LED升溫速率要比黃、紅光LED大。5種發(fā)光二極管的峰值波長、光譜強度、半峰寬等都與電流有密切的關(guān)系。隨電流增加，紫、黃和紅光LED有明顯的紅移，綠光LED有明顯的藍移，而藍光LED先藍移后紅移。除藍光LED沒有在所加電流范圍內(nèi)出現(xiàn)光輸出飽和外，其他4種LED都有光輸出飽和現(xiàn)象。電流的增加對不同顏色的LED半峰寬的影響不同，對紅色LED寬化最顯著，可達15 n m。

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