LED主要参数及电学、光学、热学特性

1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O

4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯

①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=460～465nm;

②是绿色GaP:N的LED，发光谱峰λp=550nm;

③是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm;

④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910nm;

⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。

由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处(光输出最大)，与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。

⑵谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。

半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。

⑶主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长;甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。

如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。

2.3 光通量

光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明(lm)。

LED向外辐射的功率--光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm(小芯片)，对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。

2.4 发光效率和视觉灵敏度

①LED效率有内部效率(pn结附近由电能转化成光能的效率)与外部效率(辐射到外部的效率)。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。

LED光电最重要的特性是用辐射出光能量(发光量)与输入电能之比，即发光效率。

②视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680lm/w。若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ

③发光效率--量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=(e/hcI)∫λPλdλ

若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W

若光子能量hc=ev,则η≈ηP，则总光通F=(F/P)P=KηPW式中K=F/P

④流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP

它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

以下列出几种常见LED流明效率(可见光发光效率)：

LED发光颜色λp(nm)材料可见光发光效率(lm/w)外量子效率

最高值平均值

红光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2

黄光590GaP:N-N0.450.1

绿光555GaP:N4.20.70.015~0.15

蓝光465GaN10

白光谱带GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18

品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为

η=ηiηcηe，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光(光取出效率)效率。

由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射，被空气反射，反射率为(n1-1)2/(n1+1)2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：①用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=1.55并不理想)覆盖在芯片表面;②把芯片晶体表面加工成半球形;③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

2.5 发光亮度

亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2或Nit。

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit(尼特)，从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。

LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO(电流密度)增加BO(亮度)也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc(复合效率)下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

2.6 寿命

老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BOe-t/τ，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，先后测得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ;再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。

长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=20mA下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来35%，寿命>6000h。

3 热学特性

LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

LED的主波长随温度关系可表示为λp(T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

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