第1章 LED基础知识

1.1 LED发光原理及主要参数与特性

1.1.1 LED发光原理及发光效率

1.LED的结构

LED是LightEmittingDiode的缩写，中文译为发光二极管，顾名思义，这是一种会发光的半导体组件，且具有二极管的电子特性。LED属于半导体光电组件，除了具有发光的特性之外，它完全具备半导体二极整流管的特性，如果取它的整流特性，它不但可以完全符合需求，而且在外加正偏压的情况下，会发出具有某种波长的光。LED虽然具有整流二极管的功能，但通常是利用LED的发光特性而非整流特性，这种发光的特性是发生在二极管电子曲线正偏压部分。

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。

20世纪80年代LED主要用于显示器件和短距离、低速率的光纤通信用光源，如各种仪器仪表指示器的文字、数字及其他符号的显示等。由于亮度和颜色等原因，LED还不能用于通用的照明，而这正是LED未来的一个非常重要的发展方向。LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗振性能好。LED的结构示意图如图1-1所示。

LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与白炽灯和氖灯相比，LED的特点是：工作电压低；工作电流很小；抗冲击和抗振性能好，可靠性高，寿命长；通过调制LED的电流强弱可以方便地调制其发光的强弱。

LED的发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（能隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量也不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的LED，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它们的材料和主要特性见表1-1。

LED的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过LED的电流。在直流电路中，限流电阻R可用下式计算：

式中，E为电源电压；VF为LED的正向压降；IF为LED的正向工作电流。

在交流电路中，限流电阻R可用下式估算：

式中，Ve为交流电源电压的有效值。

2.LED的发光原理

LED是由Ⅲ-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

PN结根据其端电压构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是LED发光的原理，其示意图如图1-2所示。

PN结对电子和空穴具有不同高度的势垒，这两个势垒均很小，但空穴的势垒比电子的势垒小得多，而且空穴不断从P区向N区扩散，得到高的注入效率。N区的电子注入P区的速率却较小。这样N区的电子就跃迁到价带与注入的空穴复合，发射出由N型半导体能隙所决定的辐射。由于P区的能隙大，光辐射无法发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射到LED外，减少了光能的损失。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面几微米以内产生。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg，Eg的单位为电子伏（eV）：

式中，v为电子运动速度；h为普朗克常数；q为载流子所带电荷；c为光速；λ为发光的波长。

半导体可分为直接能隙和间接能隙两种，LED大都采用直接能隙材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接能隙材料，其效率就低一些。若能产生可见光 [波长在380nm（紫光）～780nm（红光）]，半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。表1-2列举了常用半导体材料及其发射的光波波长等参数。

LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前LED几乎无电流流过。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎 [德拉]每平方米）与正向电流IF近似成正比：

式中，K为比例系数。

在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。当IF＞10mA时，m=1，式（1-5）可简化为：

即，LED亮度与正向电流成正比，LED的正向电压与正向电流与管芯的半导体材料有关。

使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值，既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，就会烧毁LED的PN结。

对于LED而言，晶格的匹配是一个重大的课题，因为对于大部分Ⅲ-Ⅴ族半导体而言，并没有刚好适合的基板可承载上方的垒晶（heteroepitaxy）层，而成长的垒晶层的晶格大小必须与基板的晶格匹配，才不至于因应力的因素导致晶格缺陷，否则组件发出的光子被晶格缺陷吸收，大幅降低组件的发光效率。最早的Ⅲ-Ⅴ族半导体异构垒晶是采用GaAs作基板，并在其上成长GaAlAs垒晶层，因为这两种材料的晶格非常近似，所以垒晶层与基片之间的应力极小，因此研发过程得以顺利进行。但是后来陆续发展出来的垒晶成长在GaAs基板上，或是GaAsxP1-x成长在GaP基板上，都因应力而存在问题。因此在光电材料中，往往采用调整二元、三元甚至四元材料的比率的方法，调整不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构，此方法同时也可通过调整半导体的能隙大小，而调整发光组件发光的波长，采用这样的方法在垒晶参数的调整上复杂许多，因此可以看出，垒晶技术可以称为半导体发光组件技术中的核心。

1.1.2 LED的主要参数与特性

LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。它具备PN结结型器件的电学特性（I-V特性、C-V特性）和光学特性（光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性）及热学特性。

1.LED的电学特性

1）I-V特性

I-V特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数，LED的I-V特性具有非线性、单向导电性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻，如图1-3所示。

① 正向死区（图1-3中的oa或o′a′段）。a点对应于Va为开启电压，当V＜Va时，外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成的势垒电场，此时电阻R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

② 正向工作区。工作电流IF与外加电压呈指数关系：

式中，IS为反向饱和电流。

在V＞VF的正向工作区，IF随VF指数上升：

正向工作电流IF是指LED正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6×IFm以下。

正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。LED正向工作电压VF在1.4～3V。在环境温度升高时，正向工作电压VF将下降。

在正向电压小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加而使LED发光。由I-V曲线可以得出LED的正向电压、反向电流及反向电压等参数。LED反向漏电流IR＜10μA。LED的正向伏安特性如图1-4所示。LED伏安特性模型可用下式表示：

VF=Vturn-on+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃）（1-9）式中，Vturn-on为LED的启动电压；Rs为伏安曲线的斜率；T为环境温度；ΔVF/ΔT为LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。

从LED的I-V曲线及模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且环境温度、LED老化时间等因素也将影响LED的电气性能。因LED的光输出直接与LED电流相关，所以在LED应用中，应控制驱动电路的输入电压、环境温度等因素发生变化，否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，甚至造成LED失效。

③ 反向死区。V＜0时PN结加反偏压；GaPLED的反向漏电流IR（V=-5V）为0A，GaN LED的反向漏电流IR（V= -5V）为10μA。

④ 反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压，VR电压对应的IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

2）C-V特性

LED的芯片有9mil×9mil（250μm×250μm），10mil ×10mil，11mil×11mil（280μm×280μm），12mil×12mil（300μm×300μm）几种规格，故PN结面积大小不一，其结电容（零偏压）近似为C≈n+pF。LED的C-V特性呈二次函数关系，如图1-5所示（C-V特性是由1MHz交流信号用C-V特性测试仪测得的）。

3）允许功耗P

当流过LED的电流为IF、管压降为VF，则LED的功率消耗为P=VF ×IF。LED工作时，外加偏压、偏流一定时促使PN结内一部分载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，LED内部热量借助管座向外传热，散发热量（功率）可表示为：

4）响应时间

LED的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。响应时间是指输入正向电流后LED开始发光（上升）和熄灭（衰减）的时间。LED的上升时间随着电流的增大近似地成指数衰减。直接跃迁的材料如GaAs1-xPx的响应时间仅几纳秒，而间接跃迁材料GaP的响应时间则为100ns。

LED可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫兹。采用这种直接调制技术使LED在相位测距仪、能见度仪及短距离通信中得到应用。LED的响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，如图1-6中的tr、tf。图1-6中的t0值很小，可忽略。LED的响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

① LED的点亮时间tr（上升时间）。tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。

② LED熄灭时间tf（下降时间）。tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

不同材料制得的LED响应时间各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs的响应时间＜10-9s，GaP为10-7s。因此它们可应用于10～100MHz的高频系统。

2.LED的光学特性

LED有非可见光（红外光）与可见光两个系列，非可见光系列LED可用辐射度来量度其光学特性，可见光系列LED可用光度学（对可见光的能量计量的学科）来量度其光学特性。

1）发光强度及其角分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度发光强度相差很多，所以研究了LED的发光强度分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。

① 发光强度（法向发光强度）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED采用的是圆柱、圆球形封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向发光强度最大，其与水平面交角为90°。当偏离法向方向不同角度时，发光强度也随之变化。

② 发光强度分布。一种在GaP基片上生成GaAsPLED的发光分布温度图如图1-7所示，谱线宽度为400Å，发射的角度宽度约为22°，LED的光通量是集中在一定角度内发射出去的。

③ 光出射度。图1-8表明几种半导体PN结发射的光出射度与输入电流的关系。可见，GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAsLED具有良好的线性，其他两种则相当差。

④ 发光强度的角分布。发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上的发光强度分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中是否添加散射剂）。为获得如图1-9所示的高指向性的角分布图，应采取以下措施：

● LED管芯位置应离模粒头远些。

● 使用圆锥状（子弹头）的模粒头。

● 封装LED的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使LED散射角2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。当前几种常用圆形LED封装的散射角（2θ1/2角）为：5°、10°、30°、45°。

2）发光峰值波长及其光谱分布

LED所发的光并非单一波长，其波长基本上按图1-10所示分布。由图1-10可见，无论什么材料制成的LED，LED光谱分布曲线都有一个相对发光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λ0表示。只有单色光才有λ0波长。

LED的发光强度通常是指法线（对圆柱形LED是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为1/683W/sr时，则发光为1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光强度小，所以发光强度常用mcd作单位。LED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，即为光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度参数也随之确定。

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。图1-11绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED光谱响应曲线。在图1-11中：

曲线1是蓝色InGaN/GaN的LED，发光谱峰λp=460～465nm；

曲线2是绿色GaPN的LED，发光谱峰λp=550nm；

曲线3是红色GaPZn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm；

曲线4是使用GaAs材料的LED，发光谱峰λp=910nm；

曲线5是Si光电二极管，通常做光电接收用。

对于大多数半导体材料而言，由于折射率较大，在光逸出半导体之前，往往已经过多次反射，由于短波光比长波光易于吸收，所以峰值波长所对应的光子能量比能隙Eg小。例如，GaAs发射的峰值波长所对应的光子能量为1.1eV，比室温下的能隙Eg小0.3eV。改变GaAs1-xPx中的x值，峰值波长在620～680nm范围内变化。谱线半宽度为200～300Å。由此可知，LED提供的是半宽度很大的单色光。由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，温度系数约为2～3Å/℃。

在LED谱线的峰值两侧±Δλ处，存在两个发光强度等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-Δλ，λp+Δλ，它们之间的宽度叫谱线宽度，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。光谱半高宽度2Δλ表示LED的光谱纯度，是指图1-12中1/2峰值发光强度所对应两波长的间隔。

图1-12给出二只不同型号LED发光强度角分布的情况，中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度之比），显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由图1-12可以得到半值角或视角值。半值角θ1/2是指以发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。

对于LED的光谱特性主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色的要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且是很有意义的。有的LED发光不是单一色，即不仅有一个峰值波长，而是有多个峰值，并非单色光。为了描述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发出的主要单色光的波长。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。

3）光通量

光通量Φ是表征LED总光输出的辐射能量，它标志着LED的性能优劣。Φ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。LED的光通量单位为流明（lm）。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Φ≈1.5～1.8lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成的白光LED，其Φ=18lm。

4）发光效率和视觉灵敏度

① LED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）。内部效率只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED最重要的特性是辐射出的光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

② 视觉灵敏度。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Φ之间的关系为：

③ 发光效率是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。LED的量子效率为：

若输入能量为W=VI，则发光能量效率为：

若光子能量hc=ev，则

则总光通为：

式中，K=Φ/P。

LED的效率可以用电光源的常用术语来表征，即对红外光采用辐射效率ηe，对可见光则用发光效率ηl，但是也有用内量子效率ηqi和外量子效率ηqe来表征的。内量子效率ηqi为：

式中，NT为辐射复合产生光子的效率；G为注入的电子空穴对数。

这样ηqi等于注入每个电子空穴对在半导体内所发生的光子数，最高可接近100%。外量子效率ηqe为：

式中，NT为从LED输出光子的效率。

这样ηqi等于注入每个电子空穴对所产生的输出到器件外的有效光子数，一般只有0.01%～13%。发射红外光的ηqe可达15%，而发射绿光的ηqe则下降到1%以下。

使外量子效率显著下降的主要原因是半导体本身的吸收，是由光从半导体射入空气时的反射损失和全反射损失造成的。例如，GaAs的折射率n=3.6，反射损失为32%，采用图1-13（a）所示结构的全反射损失为96%，出射的光只有百分之几。采用图1-13（b）的结构，全反射损失大大减少。图1-13（b）的球形部分常用材料为透明树脂，以降低成本。

④ 流明效率是评价具有外封装LED特性的主要参数，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。表1-3列出几种常见LED流明效率（可见光发光效率）。

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：

式中，ηi为PN结区少子注入效率；ηc为在势垒区少子与多子的复合效率；ηe为外部出光效率（光取出效率）。

由于LED材料折射率很高ni≈3.6。当芯片发出光垂直入射晶体材料与空气界面时（无环氧封装），而被空气反射，其反射率为：

（ni-1）2/（ni+1）2=0.32

反射出的光仅占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：

● 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。

● 把芯片晶体表面加工成半球形。

● 用Eg大的半导体材料作衬底以减少晶体内光吸收。若采用n=2.4～2.6的低熔点、热塑性大的玻璃作封帽，可使红外（GaAs、GaAsP、GaAlAs）LED效率提高4～6倍。

5）亮度

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

式中，L0为亮度；I0为漫射面在法线方向的辐射强度或发光强度；A为被照面的面积。

若光源表面是理想漫反射面，亮度L0与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000cd/m2，从地面看太阳表面亮度约为14×108 cd/m2。LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，J0（电流密度）增加L0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，L0减小。当环境温度不变，电流增大足以引起PN结结温升高时，温升后亮度呈饱和状态。

在1970—1995年间，LED一直在逐渐发展以期提供更高级别的亮度。但是，自从20世纪90年代中期，伴随着蓝光和白光LED的出现以及器件平均光亮度的成倍增加，LED创新的步伐才大大加快。LED亮度的提高主要归功于基底材料的进步，从最初的磷砷化镓（GaAsP）产品开始，在20世纪70年代末转向掺杂氮的GaAsP和镓磷（GaP），实现了最早的黄光和绿光LED；随后利用单双异质砷铝化镓（GaAlAs）在20世纪90年代初实现了超过0.1lm的光通量。自20世纪90年代以来，各种铟镓组合成为更新颖、更明亮的彩色（包括蓝色）LED的基底材料。尽管LED经历了上述发展，但仍然存在几个问题，其中一个现象就是基底往往会吸收LED产生的大部分光线。围绕这一问题有几种解决方法，Lumileds公司利用获得专利的透明铝铟磷化镓（AlInGaP）基底来解决这个难题。另一种方法是在基底上添加Bragg反射器光栅层，这样做所提供的LED亮度是一个吸光基底所能提供的两倍，但是会损失所有以90°角发射的光线。Vishay公司利用一种有机镜面附着（OMA）技术对此方法进行了改进，该技术将一个镜面附着在硅基底上。所有到达镜面的光线从器件的正面反射，因而可以达到与利用透明基底相同的光亮级别，大约是标准LED的四倍。

6）寿命

LED的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞争的。LED的亮度随着工作时间的加长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度和老化时间常数r有关。

LED发光亮度随着长时间工作而出现发光强度或光亮度衰减现象称为老化，器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为：

式中，Lt为t时间后的亮度；L0为初始亮度。

通常把亮度降到Lt=1/2L0所经历的时间t称为LED的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法是用一定的恒流源驱动LED，点燃103～104小时后，先后测得L0、Lt=1000～10000，代入Lt=L0e-t/τ求出τ；再把Lt=1/2L0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的情况下。随着功率型LED的开发应用，国外学者以LED的光衰减百分比数值作为其寿命的依据，如LED的光衰减为原来的35%，寿命大于6000h。

3.LED的热学特性

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IF＜10mA，或者10～20mA长时间连续点亮LED时，LED的温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向长波长漂移，L0也会下降，尤其是LED的温升对LED的可靠性、稳定性有影响。LED的主波长随温度关系可表示为：

由式（1-21）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发光强度、亮度的设计，尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通风设备，确保LED长期稳定工作。

4.LED的产品形式

1968年HP公司就生产出红色的LED（波长660nm），而后陆续出现了可用于显示屏的黄绿（波长570nm）、蓝（波长470nm）及纯绿（波长525nm）的LED，应用于显示屏的LED发光材料有以下几种形式：

① 单体LED。一般由单个LED晶片、反光碗、金属阳极、金属阴极构成，外包是具有透光、聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高，多用于户外显示屏。

② LED点阵模块。由若干晶片构成发光矩阵，用环氧树脂封装于塑料壳内。适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。

③贴片式LED发光灯（或称SMD LED）。就是LED采用贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，能有效克服马赛克现象。

5.LED的发光质量

LED发光质量主要表现在以下三个方面：

① LED的发光亮度。LED的灯杯和金线是不会对LED的发光亮度有影响的，而影响LED的发光亮度的主要因素是LED的芯片。

② LED的寿命。影响LED的寿命的主要原因有：静电、焊点、散热，这些因素与金线和灯杯有直接关系。

③ LED的一致性。LED产品的一致性有：角度（主要是偏角和角度大小不一致）的一致性；亮度（这跟用的芯片品质和灯杯的好坏有关）的一致性，这与生产工艺设备和操作人员技术水平有关。

LED是一种固体光源，作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent合资的公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯相比较，LED在性能上具有很多优点，见表1-4。

6.LED的极限参数

LED的极限参数有：

① 允许功耗Pm。允许加于LED两端的正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热，甚至损坏。

② 最大正向直流电流 IFm。允许通过LED的正向直流电流的极限值，超过此值可损坏LED。

③ 最大反向电压 VRm。LED所允许加的最大反向电压，超过此值，LED可能被击穿损坏。

④工作环境温度Topm。LED可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率大大降低。

7.LED光源的特点

LED是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。其主要特点是：

① LED使用低压电源，供电电压在6～24V之间，根据产品不同而异。在低电压（1.5～2.5V）、小电流（5～30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。LED具有和普通二极管相似的单向导电特性，只是死区电压略高些，具有和硅稳压二极管相似的稳压特性。目前常用的LED有发红光和绿光的磷化稼（GaP）LED，其正向压降VF=2.3V；发红光的磷砷化稼（GaAsP）LED，其正向压降VF=1.5～1.7V；以及采用碳化硅和蓝宝石材料的黄色、蓝色LED，其正向压降VF=6V。

②LED消耗能量较同光效的白炽灯减少80%；发光响应速度快（10-7～10-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。

③ 单色性好，发光颜色光艳夺目、美观大方、颜色多样；常见颜色有红、绿、黄、橙等。改变电流可以变颜色，LED能方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和能隙，实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色、黄色，最后为绿色。

④ 体积小。LED发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1mm的属于超微型LED。每个单元LED芯片是3～5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

⑤防振动及抗冲击穿性能好、功耗低、发热量少、耗电量小，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本身功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

⑥ 使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。

⑦ 容易与数字集成电路匹配。

⑧ 对环境无污染，无有害金属汞。

8.LED的分类

① 按LED发光颜色可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色、白色等。另外，有的LED中包含二种或三种颜色的芯片。根据LED出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，各种颜色的LED还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型LED适用于做指示灯用。

② 按LED出光面特征分圆形灯、方形灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的LED记做T-1；把φ5mm的记做T-1（3/4）；把φ4.4mm的记做T-1（1/4）。

③ 从发光强度角分布图可分为以下三类：

● 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

● 标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

● 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，添加的散射剂量较大。

④ 按LED的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

⑤按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED，发光强度＜10mcd；大功率LED，发光强度在10～100mcd之间；超大功率的LED，发光强度＞100mcd。

一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。