2 LED光學特性

    發光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學來量度其光學特性。

    2.1 發光法向光強及其角分布Iθ

    2.1.1 發光強度（法向光強）是表征發光器件發光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。

    2.1.2 發光強度的角分布Iθ是描述LED發光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環氧樹脂中添加散射劑與否）

    ⑴ 為獲得高指向性的角分布（如圖1）

    ① LED管芯位置離模粒頭遠些；
    ② 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；
    ③ 封裝的環氧樹脂中勿加散射劑。
    采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

    ⑵ 當前幾種常用封裝的散射角（2θ1/2角）圓形LED：5°、10°、30°、45°

    2.2 發光峰值波長及其光譜分布

    ⑴ LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。

    LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。

    下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED 光譜分布曲線

    1藍光InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O
    4 紅外GaAs 5 Si光敏光電管 6 標準鎢絲燈
    ① 是藍色InGaN/GaN發光二極管，發光譜峰λp = 460～465nm；
    ② 是綠色GaP:N的LED，發光譜峰λp = 550nm；
    ③ 是紅色GaP:Zn-O的LED，發光譜峰λp = 680～700nm；
    ④ 是紅外LED使用GaAs材料，發光譜峰λp = 910nm；
    ⑤ 是Si光電二極管，通常作光電接收用。

    由圖可見，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。

    ⑵ 譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。

    半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數，LED半寬小于40 nm。

    ⑶ 主波長：有的LED發光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。

    如GaP材料可發出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波。

    2.3 光通量

    光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優劣。F為LED向各個方向發光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明（lm）。

    LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。目前單色LED的光通量最大約1 lm，白光LED的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18 lm。

    2.4 發光效率和視覺靈敏度

    ① LED效率有內部效率（pn結附近由電能轉化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來分析和評價芯片優劣的特性。

    LED光電最重要的特性是用輻射出光能量（發光量）與輸入電能之比，即發光效率。

    ② 視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm處有一個最大值680 lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ，則發光能量P與可見光通量F之間關系為 P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ

    ③ 發光效率——量子效率η=發射的光子數/pn結載流子數=（e/hcI）∫λPλdλ

    若輸入能量為W=UI，則發光能量效率ηP=P/W
    若光子能量hc=ev,則η≈ηP ，則總光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P

    ④ 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
    它是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發光效率。
 
    以下列出幾種常見LED流明效率（可見光發光效率）：
    LED發光顏色 λp（nm） 材料可見光發光效率（lm/w） 外量子效率
    最高值 平均值
    紅光 700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 1~30.30.2
    黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1
    綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.015~0.15
    藍光 465 GaN 10
    白光 譜帶 GaN+YAG 小芯片1.6，大芯片18

    品質優良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED向外發光僅是內部發光的一部分，總的發光效率應為

    η=ηiηcηe ，式中ηi向為p、n結區少子注入效率，ηc為在勢壘區少子與多子復合效率，ηe為外部出光（光取出效率）效率。

    由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時（無環氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

    為了進一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：① 用折射率較高的透明材料（環氧樹脂n=1.55并不理想）覆蓋在芯片表面；② 把芯片晶體表面加工成半球形；  ③ 用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

    2.5發光亮度

    亮度是LED發光性能又一重要參數，具有很強方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上發光體表面亮度等于發光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。

    若光源表面是理想漫反射面，亮度BO與方向無關為常數。晴朗的藍天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。

    LED亮度與外加電流密度有關，一般的LED，JO（電流密度）增加BO也近似增大。另外，亮度還與環境溫度有關，環境溫度升高，ηc（復合效率）下降，BO減小。當環境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態。

    2.6壽命

    老化：LED發光亮度隨著長時間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關，可描述為Bt=BO e-t/τ，Bt為t時間后的亮度，BO為初始亮度。

    通常把亮度降到Bt=1/2BO所經歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103 ~104 小時后，先后測得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。

    長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。如LED的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。