2 LED光學(xué)特性

　　發(fā)光二極管有紅外（非可見(jiàn)）與可見(jiàn)光兩個(gè)系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來(lái)量度其光學(xué)特性。

　　2.1 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布Iθ

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

　　2.1.2 發(fā)光強(qiáng)度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹(shù)脂中添加散射劑與否）

　　⑴為獲得高指向性的角分布

　?、貺ED管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些；

　　②使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；

　?、鄯庋b的環(huán)氧樹(shù)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。

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

　　2.2 發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布

　?、臠ED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線--光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。

　　LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無(wú)關(guān)。

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

　　1藍(lán)光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　4紅外GaAs5Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈

　　①是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp=460～465nm；

　?、谑蔷G色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰λp=550nm；

　?、凼羌t色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰λp=680～700nm；

　?、苁羌t外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰λp=910nm；

　?、菔荢i光電二極管，通常作光電接收用。

　　由圖可見(jiàn)，無(wú)論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用λp表示。只有單色光才有λp波長(zhǎng)。

?、谱V線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值（最大光強(qiáng)度）一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)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(shù)，LED半寬小于40nm。

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

　　如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)只有一個(gè)，它會(huì)隨著LED長(zhǎng)期工作，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)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(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為L(zhǎng)ED向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見(jiàn)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(guān)。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(duì)于1mm×1mm的功率級(jí)芯片制成白光LED，其F=18lm。

　　2.4 發(fā)光效率和視覺(jué)靈敏度

　?、貺ED效率有內(nèi)部效率（pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)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(lái)分析和評(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

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

　　②視覺(jué)靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺(jué)靈敏度在λ=555nm處有一個(gè)最大值680lm/w。若視覺(jué)靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P與可見(jiàn)光通量F之間關(guān)系為P=∫Pλdλ；F=∫KλPλdλ

　　③發(fā)光效率--量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=（e/hcI）∫λPλdλ

　　若輸入能量為W=UI，則發(fā)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

　?、芰髅餍剩篖ED的光通量F/外加耗電功率W=KηP

　　它是評(píng)價(jià)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(jiàn)光的能量較大，故也叫可見(jiàn)光發(fā)光效率。

　　以下列出幾種常見(jiàn)LED流明效率（可見(jiàn)光發(fā)光效率）：

　　LED發(fā)光顏色λp（nm）材料可見(jiàn)光發(fā)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(lán)光465GaN10

　　白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18