林介本 郭震寧 黃學(xué)鈴 江華麗 馮志斌 范海偉

1 閩南科技學(xué)院（福建 泉州 362332）

2 泉州市照明工程技術(shù)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(dǎo)體（LED）照明技術(shù)的快速發(fā)展，白光LED和單色LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是健康照明[1]、智能照明[2]、植物生長(zhǎng)燈[3]等成為近年來(lái)的發(fā)展熱點(diǎn)。當(dāng)前，許多高等院?；蚵殬I(yè)院校均開設(shè)了“半導(dǎo)體照明技術(shù)”相關(guān)課程，從LED外延、LED芯片、LED封裝到LED應(yīng)用都有相應(yīng)的教材和理論素材，并開設(shè)了一定的實(shí)驗(yàn)課程。然而，大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅針對(duì)單色或白光LED器件的測(cè)量，使學(xué)生掌握了PN結(jié)的伏安特性曲線，并記錄和分析光色電參數(shù)，但缺乏較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

1 理論基礎(chǔ)

LED的電參數(shù)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(shù)是基于正向電流而獲得的關(guān)鍵參數(shù)，包含光通量、發(fā)光效率、色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)等。LED正反向電性能測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 LED正反向電性能測(cè)量原理

由圖1可知，當(dāng)LED反向電性能測(cè)量時(shí)，一般采用恒壓源供電，給被測(cè)LED施加反向電壓，根據(jù)設(shè)定的反向電壓調(diào)節(jié)恒壓源，測(cè)出反向電壓和流過LED的反向漏電流值。當(dāng)LED正向電性能測(cè)量時(shí)，采用恒流源供電，根據(jù)設(shè)定的電流自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定不變的正向工作電流，并測(cè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)意義

2.1 光通量、電功率、發(fā)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(fā)光效率與正向電流的關(guān)系曲線，結(jié)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(guān)系，而發(fā)光效率η卻逐步遞減。

圖2 光通量（φ）、電功率（P）、發(fā)光效率（η）與正向電流的關(guān)系曲線

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)分析光通量、電功率與發(fā)光效率隨正向電流變化而變化的規(guī)律，其意義在于能選擇合適的正向電流，以實(shí)現(xiàn)整燈光通量和光效的提升。例如，太陽(yáng)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(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光通量，并有效降低實(shí)際功率，進(jìn)而降低了太陽(yáng)能電池板和蓄電池的配置和成本。

2.2 發(fā)射光譜、半高寬與正向電流的特性分析

藍(lán)光LED在不同正向電流下發(fā)射EL光譜隨正向電流的變化曲線如圖3所示。結(jié)果表明：在正向電流較小時(shí)，隨著電流增大，EL光譜和發(fā)射峰向短波移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移；當(dāng)電流進(jìn)一步增大時(shí)，發(fā)射光譜又將出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。與此同時(shí)，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(fā)射EL光譜的特性曲線

圖4 峰值波長(zhǎng)、半高寬隨正向電流變化曲線

分析EL光譜、峰值波長(zhǎng)、半高寬對(duì)LED的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有重要的現(xiàn)實(shí)意義：采用特定波長(zhǎng)、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(zhǎng)燈等。EL光譜隨正向電流的變化規(guī)律對(duì)學(xué)生從事和開發(fā)特種照明有重要的指導(dǎo)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(wěn)定性有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加強(qiáng)學(xué)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(guī)律；（2）正確理解并預(yù)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖5 色溫隨正向電流的變化曲線

2.4 顯色指數(shù)與正向電流的特性分析

將不同色溫的白光LED進(jìn)行混色研究，通過串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式分析其色溫可調(diào)范圍，研究表明：（1）串聯(lián)混色得到的色溫范圍較小，但顯色指數(shù)較好；（2）并聯(lián)混色得到的白光LED色溫可調(diào)范圍大，通過不同顯色指數(shù)的白光LED進(jìn)行混色可以調(diào)節(jié)混色光的顯色指數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過分析不同色溫白光LED的顯色指數(shù)隨正向電流變化的規(guī)律，可使學(xué)生了解在串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況下的混色效果，促進(jìn)學(xué)生理解智能照明的調(diào)光（調(diào)節(jié)亮暗）調(diào)色（調(diào)節(jié)色溫）的原理。

3 結(jié)論

通過光通量、電功率、發(fā)光效率、發(fā)射光譜、半高寬、色溫、顯色指數(shù)等與正向電流的關(guān)系曲線及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義分析。對(duì)發(fā)光效率的有效選擇，對(duì)發(fā)射光譜、半高寬、色溫的有效分析，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，對(duì)學(xué)生融入智能照明、特種照明領(lǐng)域有重要的現(xiàn)實(shí)意義。