PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010                                                      187 

Irena FRYC 

Bialystok University of Technology, Faculty of Electrical Engineering 

  

 

LED's spectral power distribution under different condition of 

operating temperature and driving current 

 
 

Streszczenie.  Jako!"  !wiat#a  emitowanego  przez  LED-y  zale$y  od  wielu  czynników.  Najwi%kszy  wp#yw  maj&  temperatura  oraz  nat%$enie  pr&du 
pracy.  W  zastosowaniach  o!wietleniowych  jednym  z  najwa$niejszych  parametrów  jest  utrzymanie  sta#ego  strumienia  !wietlnego  oraz  barwy 
emitowanego  !wiat#a.  W  artykule  przedstawione  zosta#y  dane  pomiarowe  komercyjnie  dost%pnych  diod  elektroluminescencyjnych.  Na  podstawie 
tych danych przeanalizowana zosta#a mo$liwo!" uzyskiwania z LED !wiat#a o sta#ych strumieniu i barwie w zmieniaj&cej si% temperaturze otoczenia. 
(Analiza w!a"ciwo"ci spektralnych LEDów z zale#no"ci od temperatury i nat$#enia ich pr%du pracy) 
 

 

Abstract.  The  quality  of  light  emitted  by  LEDs  depends  on  many  factors.  The  most  significant  are  ambient  temperature  and  driving  current.  In 
lighting  application  the  most  important  is  to  have  light  with  constant  value  of  luminous  flux  and  color.  In  this  paper  some  data  taken  from 
measurement  of  commercially  available  LEDs  will  be  presented.  Based  on  those  data  is  possible  to  make  an  analysis  which  can  be  helpful  with 
getting constant output of LED luminous flux. 
 
S!owa  kluczowe:  pomiary  promieniowania  optycznego,  diody  elektroluminescencyjne,  rozk!ad  widmowy  mocy  promieniowania 
optycznego, zale"no#ci temperaturowe. 
Keywords: optical radiation measurement, light emitting diodes, spectral power distributions, temperature dependence. 
 
 

Introduction [1] 

The 

light-emitting  diodes

  (LEDs)  were  discovered  by 

British  radio  engineer  Henry  Joseph  Round  completely  by 
accident.  While  investigating  the  electrical  properties  of  a 
metal  semiconductor  SiC  he  witnessed  the  light  emission 
from  a  solid-state  material  driven  by  an  electrical  current. 
Round 

reported 

this 

“curious 

phenomenon” 

of 

electroluminescence  in  1907.  Right  now  we  can  see  the 
scientific  and  commercial  significance  of  such  a  discovery, 
but  the  phenomenon  of  electroluminescence  was  forgotten 
for several years. However, in 1923 it was rediscovered by 
Russian  scientist  Oleg  Vladimirovich  Lossev.  In  1924  he 
take  the  first  photograph  of  electroluminescence  from  an 
LED  and  he  carried  out  detailed  measurements  of  the 
diode’s current-voltage characteristics. Also he showed that 
the  emission  could  be  switched  on  and  off  very  rapidly.  In 
recognition  of  his  accomplishments  he  was  awarded  the 
PhD degree in 1938. Lossev’s was the first who did detailed 
study of semiconductor electroluminescence but he did not 
make  a  correct  interpretation  physical  phenomena  of  light 
emission  emitted  by  this  kind  of  diode.  The  first  correct 
interpretation  of  light  emission  from  a  p-n  junction  was 
provided  by  Kurt  Lehovec  and  colleagues  at  the  Signal 
Corps Engineering Laboratories in New Jersey in 1951.  

T

he  first  commercial  LED  was  introduced  to  the  world 

only  about  40  years  ago.  Since  then,  the  performance  of 
LEDs  has  been  improved  continuously  with  a  breathtaking 
acceleration  of  progress  in  the  last  decade. 

These 

advances  were  kick  started  by  replacing  SiC  with  more 
efficient  materials  based  on  III-V  compounds.  Key 
milestones include the demonstration of single-crystal GaAs 
(Welker, 1952), which provides the ideal substrate for many 
devices. This platform  was used for the  initial development 
of  GaAs  LEDs.  The  first  visible  LEDs  based  on  III-V 
materials were built in 1955 by Wolff and colleagues at the 
Signal  Corps  Engineering  Laboratories.  This  orange-
emitting  GaP  device  generated  light  through  the  impact 
ionization  of  carriers  at  the  metal-semiconductor  junction. 

LED  progress  followed  through  the  development  of  new 
red,  yellow,  or

ange  and  green  emitting  materials  in 

the1960s and 70s,which were made from III-V compounds, 
such  as  GaPAs,  nitrogen-doped  GaP,  nitrogen-doped 
GaPAs,  and  zinc  and  oxygen  doped  GaP.  These  LEDs 
were  far  more  efficient  than  Wolff’s  metal-semiconductor 
structure  but  they  still  fall  well  short  of  the  performance  of 

today’s high-power LEDs,  which are based on AlGaAs and 
AlGaInP. But still there was lack of blue LEDs. 

In  1969  Paul  Maruska  made  a  single-crystalline  GaN 

film. However, these films were unintentionally n-doped and 
the  addition  of  p-type  dopant  only  produced  insulating 
material.  The  lack  of  p-doped  material  led  Maruska’s  team 
to  build  metal-insulator-semiconductor  diodes,  but  such 
devices  are  inevitably  inefficient  and  this  project  was 
abandoned  in  the  early  1970s.  However,  in  1989  Isamu 
Akasaki  and  co-workers  from  Nagoya  in  Japan  produced 
the first p-type doping and conductivity in GaN. An LED with 
1%  efficiency  followed  three  years  later,  but  this  was  soon 
surpassed  by  Shuji  Nakamura  from  Nichia,  who  managed 
to  fabricate  blue  and  green  GaInN  double-heterostructure 
LEDs that were 10 times as efficient. Further improvements 
have continued to this day. 

Current  interest  in  single-color  LEDs  is  overshadowed 

by  their  white  cousins.  One  approach  to  producing  white 
light involves the mixing of emissions from several different-
colored  LEDs.  However,  the  dominant  commercial  method 
that  was  pioneered  by  Nichia,  which  is  simpler  and 
produces  a  high  color  rendering  index,  involves  a  yellow 
phosphor  and  a  blue  LED  chip.  The  blue-emitting  chip 
excites  the  yellow-emitting  phosphor  and  white  light  is 
created from mixing these two sources.  

Scientists  and  engineers  that  strive  to  control  and  tune 

all  of  the  properties  of  an  LED  have  the  unprecedented 
challenge  of  constructing  light  sources  that  can  be 
controlled  in  terms  of  spectrum,  polarization,  color 
temperature,  temporal  modulation  and  spatial  emission 
pattern. 

 

 

The  physical  mechanism  by  which  semiconductor 
LEDs emit light [2] 
The spontaneous recombination of  electron–hole pairs and 
simultaneous  emission  of  photons  is  the  physical 
mechanism  by  which  semiconductor  LEDs  emit  light  is. 
Spontaneous recombination has certain characteristics that 
determine  the  optical  properties  of  LEDs.  In  an  electron–
hole  recombination  process  is  electrons  in  the  conduction 
band  and  holes  in  the  valence  band  are  assumed  to  have 
the parabolic dispersion relations.  

(1)                  

!

"

#

$

%

&

'

(

)

*

e

C

m

k

h

E

E

2

2

2

2

                 (for electrons) 

188                                                PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 

and 

(2)                 

!

"

#

$

%

&

'

(

+

*

h

V

m

k

h

E

E

2

2

2

2

                        (for holes) 

where 

!

e

m   and 

!
h

m   are  the  electron  and  hole  effective 

masses,  h   is  Planck’s  constant,  k   is  the  carrier  wave 
number,  and 

V

E   and 

C

E   are  the  valence  and  conduction 

band edges, respectively. 

The requirement of energy and momentum conservation 

leads  to  further  insight  into  the  radiative  recombination 
mechanism.  It  follows  from  the  Boltzmann  distribution  that 
electrons and holes have an average kinetic energy of  kT . 
Energy  conservation  requires  that  the  photon  energy  is 
given  by  the  difference  between  the  electron  energy, 

e

E  

and the hole energy, 

h

E , i.e.  

(3)                             

g

h

e

E

E

E

h

,

+

*

-

                        

The  photon  energy  is  approximately  equal  to  the 

bandgap  energy, 

g

E ,  if  the  thermal  energy  is  small 

compared  with  the  bandgap  energy 

g

E

kT ..

.  Thus  the 

desired emission wavelength of an LED can be attained by 
choosing  a  semiconductor  material  with  an  appropriate 
bandgap energy. It is helpful to compare the average carrier 
momentum  with  the  photon  momentum.  A  carrier  with 

kinetic  energy  kT   and  effective  mass 

!

m

  has  the 

momentum 

(4)              

kT

m

m

m

m

p

!

!

!

!

*

-

*

-

*

2

2

1

2

2

                  

The  momentum  of  a  photon  with  energy 

g

E   can  be 

derived from the de Broglie relation 

(5)                      

c

E

c

h

k

h

p

g

*

-

*

(

*

2

                            

Calculation  of  the  carrier  momentum  (using  Eq.  4)  and 

the  photon  momentum  (using  Eq.  5)  yields  that  the  carrier 
momentum  is  orders  of  magnitude  larger  than  the  photon 
momentum.  Therefore  the  electron  momentum  cannot 
change  significantly  during  the  transition  from  the 
conduction  to  the  valence  band.  The  transitions  are 
therefore  “vertical”  i.e.  electrons  only  recombine  with  holes 
that have the same momentum or  k  value. 

Using  the  requirement  that  electron  and  hole  moment 

are the same, the photon energy can be written as the joint 
dispersion relation: 

(6)       

!

!

!

"

#

$

%

&

'

(

)

*

"

#

$

%

&

'

(

)

+

"

#

$

%

&

'

(

)

*

r

g

h

V

e

C

m

k

h

E

m

k

h

E

m

k

h

E

E

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

where 

r

m  is the reduced mass given by: 

(7)                                       

!

!

!

)

*

h

e

r

m

m

m

1

1

1

                      

Using  the  joint  dispersion  relation,  the  joint  density  of 

states can be calculated as: 

(8)                  

/

0

g

/

*

r

E

E

/

h

m

(E)

+

"

"
#

$

%

%
&

'

(

(

*

1

2

3

2

2

2

2

2

1

 

The distribution of carriers in the allowed bands is given 

by the Boltzmann distribution: 

(9)                              

"

#

$

%

&

'

+

*

kT

E

exp

)

E

(

f

B

                           

The  emission  intensity  as  a  function  of  energy  is 
proportional to the product of Eqs. (8) and (9), 

(10)                        

"

#

$

%

&

'

+

+

2

kT

E

exp

E

E

)

E

(

I

g

 

The maximum emission intensity occurs at:  

(11)                             

kT

E

E

g

2

1

)

*

 

 
LED's 

photometric 

parameters 

under 

different 

condition of operating temperature 

All  LEDs  photometric  parameters  could  be  derived 

based  on  measured  SPDs.  The  LED  spectral  power 
distribution  depends on many factors but most important is 
drive  current  and  junction  temperature

j

T .  Based  on  Eqs. 

(10) and (11) we can see, that SPDs of an LED depend on 
junction  temperature

j

T .  Also  according  to  manufacturer 

data of high power LEDs, reported in Cree® XLamp® Long-
Term Lumen Maintenance [3] there is  additional factor that 
affects  the  rate  of  spectral  power  distribution  and  lumen 
depreciation  for  LED. This  is  the  temperature 

A

T   of  the  air 

surrounding the LED. For this reason is possible to say that 
LEDs  SPDs  depends  on  the  operating  temperature.  The 
term  operating  temperature  means  that  we  take  under 
consideration 

j

T  and 

A

T

.  

All  LEDs  photometric  parameters  were  measured 

according  to  recommendations  given  by  CIE  127:2007 
document. Figure (1) and (2) show the LEDs luminous flux 
relative  value  versus  relative  value  of  drive  current.  The 
measurements 

were  taken  at  connstant  operating 

temperature. Under consideration [4] (Table. 1)  were taken 
LEDs from blue to red.  
 

Table 1. The LEDs taken under consideration [4] 

No. 

p

3

 [nm] 

Part number 

1 

420.0 

LEDREPS UVA-15N20K 

2 

472.5 

SunLED Corporation XLBB12WH 

3 

504.4 

Roithner Lasertechnik 383-2UBGC 

4 

587.7 

LEDTRONICS INC, L200CY5B 

5 

633.9 

LEDTRONICS INC. L200CWR3KH-30D 

6 

715.0  

Roithner Lasertechnik ELD-720-524 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1. The LEDs luminous flux relative value versus relative value 
of drive current [4] 
 
 
 

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

current relative value

lu

m

in

o

u

s

 f

lu

x

 r

e

la

ti

v

e

 v

a

lu

e

 .

2 - SunLED Corporation XLBB12WH

3 - Roitchner Lasertechnik 383-2UBGC

6 - Roitchner Lasertechnik ELD-720-524

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010                                                      189 

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

drive current relative value

lu

m

in

o

u

s

 f

lu

x

 r

e

la

ti

v

e

 v

a

lu

e

 

1 - LEDREPS UVA-L5N20K

5 - LEDTRONICS INC. L200CWR3KH-30D

4 - LEDTRONICS INC. L200CY5B

 

Fig. 2. The LEDs luminous flux relative value versus relative value 
of drive current [4] 

4 LEDs HLMP-EL30 type with 

3

p 

= 591 nm 

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

10

20

30

40

Temperature [

o

C]

lu

m

in

o

u

s

 f

lu

x

re

la

ti

v

e

 v

a

lu

e

 

Fig. 3. The LED luminous flux relative value versus temperature [4] 

 

4 LEDs HLMP-C116 type with 

3

p

 = 643 nm

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

10

20

30

40

Temperature [

o

C]

lu

m

in

o

u

s

 f

lu

x

 

re

la

ti

v

e

 v

a

lu

e

  

  

.

 

Fig. 4. The LED luminous flux relative value versus temperature [4] 

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0.05 Imax, 0.125 Imax, 0.25 Imax,

0.5 Imax,

0.625 Imax, 0.75 Imax,

drive current relative value

s

p

e

c

tr

a

l 

s

h

if

t 

c

o

m

p

a

re

d

 t

o

 

p

 

[n

m

] 

u

n

d

e

r 

I

m

a

x

Roitchner Lasertechnik ELD-720-524

Roitcher Lasertechnik 383 -2UBGC

LEDTRONICS INC. L200CY5B

Roitchner Lasertechnik LED-750-03AU 

LEDTRONICS INC. L200CWR3KH-30D 

SunLED Corporation XLBB12WH 

LEDREPS UVA-L5N20K

 

Fig. 5. The LEDs spectral shift versus relative value of drive current 
at constant temperature [4] 

Dominant wavelength vs. temperature

471,50

472,50

473,50

10

20

30

40

Temperature [C]

D

o

m

in

a

n

t 

w

a

v

e

l.

 [

n

m

]

0.033 nm/ degree C

 

Fig.  6.  The  value  of  dominant  wavelength  of  blue  LED  versus 
temperature

 

Dominant wavelength vs. temperature

589,50

590,50

591,50

592,50

593,50

10

20

30

40

Temperature [C]

D

o

m

in

a

n

t 

w

a

v

e

l.

 [

n

m

]

0.096nm / degree C

 

Fig.  7.  The  value  of  dominant  wavelength  of  yellow  LED  versus 
temperature

 

The  LEDs  luminous  flux  relative  value  versus 

temperature are show on Fig. 3 and 4. Figure 5 shows the 
LEDs spectral  shift versus relative value  of  drive current at 
constant  operating  temperature.  The  bigest  peak  shift  was 
obserwed  for  SunLED  Corporation  XLBB12WH  blue  and 
Roithner  Lasertechnik  383-2UBGC  green-blue  LED. 
Figures (6) and (7) shovs dependence of the value of LEDs 
dominant wavelength versus temperature. 
 
The  work  was  done  in  Bialystok  University  of  Technology 
under grant S/WE/2/08. 

 

REFERENCES 

[1]   E. Fred

 

Schubert and J.K. Kim, 100 years of LEDs, Compound 

Semiconductors (2007)

 

 

[2] E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge University    
      Press (2006)  
[3] Cree® XLamp® Long-Term Lumen Maintenance (2009) 
[4] I. Fryc, Zrodlo swiatla o ksztaltowanej charakterystyce  
      widmowej, Bialystok University Press (2006) 

 

Author: Irena Fryc, PhD, DsC, Bialystok University of Technology, 
Faculty of Electrical Engineering, Department of Optical Radiation,. 
Wiejska 45d, 15-351 Bialystok, E-mail: fryc@pb.edu.pl;