基于正向電流的LED光色電特性分析及其實驗教學意義

林介本 郭震寧 黃學鈴 江華麗 馮志斌 范海偉

1 閩南科技學院（福建 泉州 362332）

2 泉州市照明工程技術研究院（福建 泉州 362302）

3 福建泉州世光照明科技有限公司（福建 泉州 362302）

0 引言

隨著半導體（LED）照明技術的快速發展，白光LED和單色LED的應用越來越廣泛，尤其是健康照明[1]、智能照明[2]、植物生長燈[3]等成為近年來的發展熱點。當前，許多高等院校或職業院校均開設了“半導體照明技術”相關課程，從LED外延、LED芯片、LED封裝到LED應用都有相應的教材和理論素材，并開設了一定的實驗課程。然而，大部分實驗教學僅針對單色或白光LED器件的測量，使學生掌握了PN結的伏安特性曲線，并記錄和分析光色電參數，但缺乏較為完善的實驗教學方法。

1 理論基礎

LED的電參數主要有正向電流、正向電壓、反向漏電流、反向電壓等，而光色參數是基于正向電流而獲得的關鍵參數，包含光通量、發光效率、色坐標、色溫、顯色指數等。LED正反向電性能測量原理如圖1所示。

圖1 LED正反向電性能測量原理

由圖1可知，當LED反向電性能測量時，一般采用恒壓源供電，給被測LED施加反向電壓，根據設定的反向電壓調節恒壓源，測出反向電壓和流過LED的反向漏電流值。當LED正向電性能測量時，采用恒流源供電，根據設定的電流自動調節輸出穩定不變的正向工作電流，并測出LED兩端的正向壓降和流過LED的正向電流值。

2 LED光色電特性分析及其實驗教學意義

2.1 光通量、電功率、發光效率與正向電流的特性分析

圖2為樣品1、2、3的光通量、電功率、發光效率與正向電流的關系曲線，結果表明：光通量φ、電功率P均隨正向電流IF的增加呈亞線性增大關系，而發光效率η卻逐步遞減。

圖2 光通量（φ）、電功率（P）、發光效率（η）與正向電流的關系曲線

在實驗教學中，應分析光通量、電功率與發光效率隨正向電流變化而變化的規律，其意義在于能選擇合適的正向電流，以實現整燈光通量和光效的提升。例如，太陽能LED路燈采用200～240 lm/W白光LED器件，采用一定面積InGaN芯片通過降低正向電流，提高白光LED發光效率，實現目標光通量，并有效降低實際功率，進而降低了太陽能電池板和蓄電池的配置和成本。

2.2 發射光譜、半高寬與正向電流的特性分析

藍光LED在不同正向電流下發射EL光譜隨正向電流的變化曲線如圖3所示。結果表明：在正向電流較小時，隨著電流增大，EL光譜和發射峰向短波移動，即發生藍移；當電流進一步增大時，發射光譜又將出現紅移現象。與此同時，光譜半高寬（FWHM）隨IF的增大而寬化，如圖4所示。

圖3 不同正向電流下發射EL光譜的特性曲線

圖4 峰值波長、半高寬隨正向電流變化曲線

分析EL光譜、峰值波長、半高寬對LED的實驗教學有重要的現實意義：采用特定波長、半高寬和EL光譜的LED可以制備成黃疸LED光療燈、LED茶葉色選燈、LED植物生長燈等。EL光譜隨正向電流的變化規律對學生從事和開發特種照明有重要的指導意義。

2.3 色溫與正向電流的特性分析

色溫隨正向電流的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，不同色溫的白光LED隨著正向電流的增大而增大，其色溫偏移量與色溫段、LED芯片尺寸和穩定性有關。

在實驗教學中，加強學生理解色溫隨正向電流的變化曲線，有助于：（1）分析不同樣品色溫偏移量隨正向電流變化的規律；（2）正確理解并預防因電流過大、溫度過高等問題引起的色溫漂移問題；（3）掌握不同色溫白光LED混色的理論和實驗基礎。

圖5 色溫隨正向電流的變化曲線

2.4 顯色指數與正向電流的特性分析

將不同色溫的白光LED進行混色研究，通過串聯和并聯兩種方式分析其色溫可調范圍，研究表明：（1）串聯混色得到的色溫范圍較小，但顯色指數較好；（2）并聯混色得到的白光LED色溫可調范圍大，通過不同顯色指數的白光LED進行混色可以調節混色光的顯色指數。

在實驗教學中，通過分析不同色溫白光LED的顯色指數隨正向電流變化的規律，可使學生了解在串聯和并聯兩種情況下的混色效果，促進學生理解智能照明的調光（調節亮暗）調色（調節色溫）的原理。

3 結論

通過光通量、電功率、發光效率、發射光譜、半高寬、色溫、顯色指數等與正向電流的關系曲線及其實驗教學意義分析。對發光效率的有效選擇，對發射光譜、半高寬、色溫的有效分析，有助于提高實驗教學內容的實用性，對學生融入智能照明、特種照明領域有重要的現實意義。