2 LED光学特性

　　发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

　　2.1 发光法向光强及其角分布Iθ

　　2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

　　2.1.2 发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

　　⑴为获得高指向性的角分布

　　①LED管芯位置离模粒头远些；

　　②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

　　③封装的环氧树脂中勿加散射剂。

　　采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。

　　⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：5°、10°、30°、45°

　　2.2 发光峰值波长及其光谱分布

　　⑴LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线--光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

　　LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

　　下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。其中LED光谱分布曲线

　　1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O#p#分页标题#e#

　　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。#p#分页标题#e#

　　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