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

　　①LED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LED2θ1/2=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

　　⑴LED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/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O#p#分頁標題#e#

　　4紅外GaAs5Si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40nm。

　　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1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm（小芯片），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18lm。

　　2.4 發光效率和視覺靈敏度

　　①LED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。#p#分頁標題#e#

　　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680lm/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700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2

　　黃光590GaP:N-N0.450.1

　　綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15

　　藍光465GaN10

　　白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18