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      環(huán)境溫度和驅(qū)動電流對LED的峰值波長的影響

      2020-06-16 13:17:46劉旭文林上飛劉木清
      照明工程學(xué)報 2020年1期
      關(guān)鍵詞:驅(qū)動電流環(huán)境溫度波長

      劉旭文,林上飛,劉木清

      (1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系,上海 200433; 2.復(fù)旦大學(xué)先進照明技術(shù)教育部工程研究中心,上海 200433;3.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院,上海 200433)

      引言

      發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)因其節(jié)能高效、穩(wěn)定、無污染等優(yōu)點,近些年來獲得了人們的廣泛關(guān)注,且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)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(zhì)的要求也隨之提升,光源的發(fā)光特性決定了其照明品質(zhì)。LED是一種電致發(fā)光器件,電流是影響其發(fā)光特性的一個重要因素,方晶璐等[1]發(fā)現(xiàn)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(guān)色溫的變化。何欣等[2]還發(fā)現(xiàn)正向電流的增加會導(dǎo)致紅光LED光譜發(fā)生紅移,使LED色坐標(biāo)改變。董向成等[3]發(fā)現(xiàn)驅(qū)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(fā)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(fā)光功率等光電參數(shù)具有一定的影響[4-9]。

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

      1 實驗設(shè)計

      1)13種不同峰值波長的LED。在可見光波段380~780 nm區(qū)間內(nèi)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(wěn)態(tài)電流模式條件下的光譜圖。

      2)10種不同占空比的驅(qū)動電流模式。為研究驅(qū)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??刂破骄娏?0 mA不變,通過PWM技術(shù)調(diào)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(huán)境溫度。本次實驗選擇20 ℃、50 ℃、80 ℃三種環(huán)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(huán)境溫度的效果,以便于實現(xiàn)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(jié)果進行分析,使用MATLAB對實驗數(shù)據(jù)進行畫圖。

      2 實驗結(jié)果與討論

      2.1 驅(qū)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(diào)節(jié)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(jù)表3實驗數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn),在室溫20 ℃條件下,控制LED驅(qū)動電流不變,改變電流占空比,進而改變驅(qū)動電流的峰值,可以改變LED的峰值波長。當(dāng)驅(qū)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(wěn)態(tài)電流驅(qū)動下峰值波長為497 nm)在10種不同驅(qū)動電流下的光譜圖。隨著驅(qū)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(qū)動電流模式下的光譜圖

      根據(jù)表3實驗數(shù)據(jù),我們還發(fā)現(xiàn)波長為415~531 nm區(qū)間內(nèi)的LED的峰值波長隨著驅(qū)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(qū)間內(nèi)的LED的峰值波長隨著驅(qū)動電流占空比的增加而減小,即隨著驅(qū)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(qū)動電流模式下的峰值波長偏移量,其中Δλmax為最大的驅(qū)動電流峰值下的LED峰值波長與最小的驅(qū)動電流峰值下的LED峰值波長差。圖3中橫坐標(biāo)是13種LED的標(biāo)簽,根據(jù)波長的大小,從藍光到紅光給LED定好標(biāo)簽從1~13。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)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(nèi),隨著波長的增大,驅(qū)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(nèi),驅(qū)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(guān)。

      2.2 環(huán)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(huán)境溫度,來探究環(huán)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(shù)據(jù)中,我們可以發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)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(jié)溫有關(guān),PN結(jié)溫度升高產(chǎn)生的熱效應(yīng)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(dǎo)致禁帶寬度Eg減小,LED發(fā)光的波長公式λ=1240/Eg,Eg減小,導(dǎo)致λ增大,出現(xiàn)峰值波長紅移。圖4是波長為740 nm的LED在驅(qū)動電流的峰值與均值均為70 mA,占空比為100%,三種不同環(huán)境溫度下的發(fā)光光譜圖。

      表4 13種LED在3種環(huán)境溫度下的峰值波長

      既然環(huán)境溫度的上升可以使得LED結(jié)溫上升,從而使LED峰值波長增大,那么環(huán)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(huán)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(huán)境下LED的峰值波長,每個LED的驅(qū)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(fā)現(xiàn),隨著標(biāo)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(fā)現(xiàn),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(qū)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(huán)境溫度或者結(jié)溫之間具有良好的線性關(guān)系,這與左佳奇等[10]在2015年的研究結(jié)果基本相同。

      圖6 在不同溫度條件下驅(qū)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(huán)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(fā)生紅移,上文中我們也發(fā)現(xiàn)不同的驅(qū)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(qū)動電流影響LED峰值波長,使峰值波長移動時,環(huán)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(huán)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??梢园l(fā)現(xiàn)在三種不同的溫度下,驅(qū)動電流對LED峰值波長的影響結(jié)果基本相同,這也就說明了,在不同的溫度條件下,驅(qū)動電流對LED峰值波長移動的影響效果基本相同,環(huán)境溫度并不能明顯改變驅(qū)動電流對不同LED峰值波長的影響機制和效果。

      我們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電流與環(huán)境溫度都可以影響LED的峰值波長,那么將驅(qū)動電流與環(huán)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(qū)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(qū)動電流與環(huán)境溫度共同作用下的最大峰值波長移動Δλmax??梢园l(fā)現(xiàn),在驅(qū)動電流與環(huán)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(xiàn)了12 nm的紅移。

      圖7 13種LED在驅(qū)動電流與溫度共同作用下的最大波長移動

      3 結(jié)論

      本實驗選用了13種不同波長的LED、3種不同的環(huán)境溫度、10種不同的驅(qū)動電流模式,來探究環(huán)境溫度和驅(qū)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(jié)論:

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

      2)在相同模式電流驅(qū)動下,隨著環(huán)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(fā)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(guān)系。

      3)環(huán)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(guān),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(huán)境溫度與驅(qū)動電流共同作用下,可以使得LED峰值波長出現(xiàn)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。

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