基于正向电流的LED光色电特性分析及其实验教学意义

林介本 郭震宁 黄学铃 江华丽 冯志斌 范海伟

1 闽南科技学院（福建 泉州 362332）

2 泉州市照明工程技术研究院（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

随着半导体（LED）照明技术的快速发展，白光LED和单色LED的应用越来越广泛，尤其是健康照明[1]、智能照明[2]、植物生长灯[3]等成为近年来的发展热点。当前，许多高等院校或职业院校均开设了“半导体照明技术”相关课程，从LED外延、LED芯片、LED封装到LED应用都有相应的教材和理论素材，并开设了一定的实验课程。然而，大部分实验教学仅针对单色或白光LED器件的测量，使学生掌握了PN结的伏安特性曲线，并记录和分析光色电参数，但缺乏较为完善的实验教学方法。

1 理论基础

LED的电参数主要有正向电流、正向电压、反向漏电流、反向电压等，而光色参数是基于正向电流而获得的关键参数，包含光通量、发光效率、色坐标、色温、显色指数等。LED正反向电性能测量原理如图1所示。

图1 LED正反向电性能测量原理

由图1可知，当LED反向电性能测量时，一般采用恒压源供电，给被测LED施加反向电压，根据设定的反向电压调节恒压源，测出反向电压和流过LED的反向漏电流值。当LED正向电性能测量时，采用恒流源供电，根据设定的电流自动调节输出稳定不变的正向工作电流，并测出LED两端的正向压降和流过LED的正向电流值。

2 LED光色电特性分析及其实验教学意义

2.1 光通量、电功率、发光效率与正向电流的特性分析

图2为样品1、2、3的光通量、电功率、发光效率与正向电流的关系曲线，结果表明：光通量φ、电功率P均随正向电流IF的增加呈亚线性增大关系，而发光效率η却逐步递减。

图2 光通量（φ）、电功率（P）、发光效率（η）与正向电流的关系曲线

在实验教学中，应分析光通量、电功率与发光效率随正向电流变化而变化的规律，其意义在于能选择合适的正向电流，以实现整灯光通量和光效的提升。例如，太阳能LED路灯采用200～240 lm/W白光LED器件，采用一定面积InGaN芯片通过降低正向电流，提高白光LED发光效率，实现目标光通量，并有效降低实际功率，进而降低了太阳能电池板和蓄电池的配置和成本。

2.2 发射光谱、半高宽与正向电流的特性分析

蓝光LED在不同正向电流下发射EL光谱随正向电流的变化曲线如图3所示。结果表明：在正向电流较小时，随着电流增大，EL光谱和发射峰向短波移动，即发生蓝移；当电流进一步增大时，发射光谱又将出现红移现象。与此同时，光谱半高宽（FWHM）随IF的增大而宽化，如图4所示。

图3 不同正向电流下发射EL光谱的特性曲线

图4 峰值波长、半高宽随正向电流变化曲线

分析EL光谱、峰值波长、半高宽对LED的实验教学有重要的现实意义：采用特定波长、半高宽和EL光谱的LED可以制备成黄疸LED光疗灯、LED茶叶色选灯、LED植物生长灯等。EL光谱随正向电流的变化规律对学生从事和开发特种照明有重要的指导意义。

2.3 色温与正向电流的特性分析

色温随正向电流的变化曲线如图5所示。由图5可知，不同色温的白光LED随着正向电流的增大而增大，其色温偏移量与色温段、LED芯片尺寸和稳定性有关。

在实验教学中，加强学生理解色温随正向电流的变化曲线，有助于：（1）分析不同样品色温偏移量随正向电流变化的规律；（2）正确理解并预防因电流过大、温度过高等问题引起的色温漂移问题；（3）掌握不同色温白光LED混色的理论和实验基础。

图5 色温随正向电流的变化曲线

2.4 显色指数与正向电流的特性分析

将不同色温的白光LED进行混色研究，通过串联和并联两种方式分析其色温可调范围，研究表明：（1）串联混色得到的色温范围较小，但显色指数较好；（2）并联混色得到的白光LED色温可调范围大，通过不同显色指数的白光LED进行混色可以调节混色光的显色指数。

在实验教学中，通过分析不同色温白光LED的显色指数随正向电流变化的规律，可使学生了解在串联和并联两种情况下的混色效果，促进学生理解智能照明的调光（调节亮暗）调色（调节色温）的原理。

3 结论

通过光通量、电功率、发光效率、发射光谱、半高宽、色温、显色指数等与正向电流的关系曲线及其实验教学意义分析。对发光效率的有效选择，对发射光谱、半高宽、色温的有效分析，有助于提高实验教学内容的实用性，对学生融入智能照明、特种照明领域有重要的现实意义。