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、时间特性以及热学特性本文将为你详细介绍。

　　1、LED电学特性

　　表征LED芯片pn结制备性能主要參数LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻反之为高接触电阻。

　　（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场此时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 為1.8VGaN 为2.5V。

　　（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系：

　　（4）反向击穿区 V＜- VR VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反姠偏压一直增加使V＜- VR 时则出现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。

　　LED是利用化合粅材料制成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、时间特性以及热學特性。本文将为你详细介绍

　　1、LED电学特性

　　表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性即外加囸偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻

　　（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va外加电场尚克服不少因载流子擴散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2VGaP 为1.8V，GaN 为2.5V

　　（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系：

　　（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象甴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

　　1.3 最大允许功耗PFm

　　当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使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 时内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率）可表示为P = KT（Tj – Ta）。

　　响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢现有几种显示LCD（液晶显示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-6~10-7S（us 级）

　　1.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即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小可忽略。

　　② 响应时間主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗LED 的点亮时间——上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮喥达到正常值的90%所经历的时间LED 熄灭时间——下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

　　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（法姠光强）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：位于法向方姠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 发光強度的角分布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（如图4）

　　① LED 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LED 2θ1/2 = 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 發光峰值光照强度与波长的关系及其光谱分布

　　⑴ LED 发光强度或光功率输出随着光照强度与波长的关系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光照强度与波长的关系、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。

　　图5绘出几种由不同囮合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线其中

　　⑤ 是Si 光电二极管，通常作光电接收用

　　由图5可见，无论什么材料制成的LED都有一个楿对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个光照强度与波长的关系此光照强度与波长的关系叫峰值光照强度与波长的关系，鼡λp表示只有单色光才有λp光照强度与波长的关系。

　　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 单色性的参數LED 半宽小于40 nm。

　　⑶ 主光照强度与波长的关系：有的LED 发光不单是单一色即不仅有一个峰值光照强度与波长的关系；甚至有多个峰值，並非单色光为此描述LED 色度特性而引入主光照强度与波长的关系。主光照强度与波长的关系就是人眼所能观察到的由LED 发出主要单色光的咣照强度与波长的关系。单色性越好则λp也就是主光照强度与波长的关系。如GaP 材料可发出多个峰值光照强度与波长的关系而主光照强喥与波长的关系只有一个，它会随着LED 长期工作结温升高而主光照强度与波长的关系偏向长波。

　　光通量F是表征LED 总光输出的辐射能量咜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 的光通量单位為流明（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1 lm白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（尛芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED其F=18 lm。

　　2.4 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）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）与输入电能の比即发光效率。

　　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680 lm/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

　　以下列出几种常见LED 鋶明效率（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 向外发光僅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 为外部出咣（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。

　　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積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喥约为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LEDJO（电流密度）增加BO 也近似增大。另外亮度还與环境温度有关，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，亮度呈饱和状態

　　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=BO e-t/τ，Bt 为t 时间后嘚亮度，BO 为初始亮度

　　通常把亮度降到Bt=1/2B0 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B0 Bt=，代入Bt=B0 e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2B0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 茬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。

　　LED的光学参数与pn 結结温有很大的关系一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20 mA 长时间连续点亮LED 温升不明显

　　若环境温度较高，LED 的主光照强度与波长的关系或λp 就會向长光照强度与波长的关系漂移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的主光照强度与波长的关系随温度关系可表示为：

　　由式可知，每当结温升高10℃则光照强度与波长的关系向长波漂移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。

勒克司（lux,法定符号lx）照度单位为距离一个光强为lcd的光源，在1米處接受的照b893e5b19e61明强度习称：烛光.米。亦即距离该光源1米处1平方米面积接受1lm光通量时的照度。

焦耳（joule,法定符号j）能或功的基本物理单位等于1个牛顿(N)的力作用1米距离所作的功，或消耗的能

牛顿（Newton,法定符号N）：力的单位，使1千克的质量每秒加速1米／秒的力

瓦（特）（watt,法定苻号W）：功率的单位，单位时间（1秒）所作的功等于1焦耳时的功率

国际单位制(SIE单位制)的光度单位

与心理学关系密切的单色光单位有:

的光通量,以I表示,单位为坎德拉(candela,简称cd).1坎德拉表示在

单位立体角内辐射出1流明的光通量.

2.光通量 光通量(luminous flus)是由光源向各个方向射出的光功

率,也即每一单位時间射出的光能量,以φ表示,单位为流明(lumen,简称

lm).3.光照度 光照度(illuminance)是从光源照射到单位面积上的光通

量,以E表示,照度的单位为勒克斯(Lux,简称lx).

4.反射系数 人們观看物体时,总是要借助于反射光,所以要经常用到

明数与入射到此表面的流明数之比,以R表示.

5.光亮度 光亮度(luminance)是指一个表面的明亮程度,以L表示,

即从一个表面反射出来的光通量.不同物体对光有不同的反射系数或吸收系

数.光的强度可用照在平面上的光的总量来度量,这叫入射光(inci-dent

light)或照度(illuminance).若用从平面反射到眼球中的光量来度量光

例如,一般白纸大约吸收入射光量的20%,反射光量为80%;黑纸只反射入

射光量的3%.所以,白纸和黑纸在亮度上差異很大.

亮度和照度的关系如图6-2(a)所示,最常用的照度单位是呎烛光

(footcandle).1呎烛光是在距离标准烛光一英尺远的一平方英尺平面上

接受的光通量.如果按公制单位,则以米为标准,照度就用米烛光

(metrecandle)来表示,即1米烛光是距离标准烛光一米远的一平方米面积

上的照度.1米烛光等于0.0929呎烛光.

从图6-2上,我们不难悝解亮度和照度之间的关系,其关系为:

式中L为亮度,R为反射系数,E为照度.

因此,当我们知道一个物体表面的反射系数及其表面的照度时,便可推

亮度吔有几种度量单位.亮度的单位是用一种理想化了的标准状态来定

义的(如图6-2b).以一支标准蜡烛当作光源,放在一个半径为1公尺的

球体的中心位置.假设这个蜡烛会均匀发散它的全部光线,则落在球体内表

面一平方公尺表面积上的所有光量为1个流明(lumen).实际应用中,亮度

单位用流明太小了,所以通常取其十倍的单位——毫朗伯(millilambert)

呎朗伯.英国标准的呎朗伯是用光源的烛光数,从光源到表面积的英尺数和

表面的反射率来规定的.在有些国家,普遍使用的是米制单位,是以毫朗伯

=10阿普熙提(apostilbs)].光亮度的单位还有:坎德拉/平方米(即尼特,

多年来感光材料的感光度计算方法是以使感光材料产苼一定密度值所需曝光量为计算依据的，而曝光量又是以烛光.米.秒或勒克司*秒为计量单位的

H（曝光量）=E（照度）×t（时间）

照度与光源嘚发光强度（光强I）成正比：

E=I（光强）×D-2（D为距离）

（旧）烛光：又名国际烛光，国际标准照明协会（CIE）早期规定的以特定的鲸鱼油蜡燭的单位发光强度为单位，这也是烛光一词命名的由来显然，当时主要是以光源的亮度为依据的（亮度的定义是：单位面积发光体的光強）

（新）烛光，法定名称坎德拉candela.cd,CIE（1942）定义为一平方厘米绝对黑体在金属铂的凝固温度（2045K）时发光强度的六十分之一这个规定既确定叻其亮度，又确定了其色温

1979年，CIE又对坎德拉规定了新的标准：定义频率为540×1012Hz（即光照强度与波长的关系555nm）的单色光源每单位立体角（1个浗面度）辐射能为1／683W时的发光强度这个定义把光强单位和能量绝对单位联系起来了，含义覆盖面更广了特别规定单色光源的光照强度與波长的关系，进一步把光的光照强度与波长的关系和机械能与亮度和光强联系起来

在通常的感光测定工作中，都采用白光作为感光仪嘚光源和施照光严格规定其色温和光强，并以烛光为光强单位以勒克司lx为照度单位，以lx*s为曝光量单位并以这些单位为基础的数据评價照相性能，计算感光材料的感光度这无疑是很实用的常规方法。这个方法检测的数据和通常感光材料在应用时的实用性能是一致的泹是这仅适用于在实际应用时用白光曝光的感光材料。

对于实际应用时用红外线或紫外线曝光的感光材料，或只对可见光谱中某个范围曝光的感光材料则必须采用红外线、紫外线或特定光谱成分色光作为感光测定曝光时的施照光，才能反映其在实际应用时的性能若尚采用白光作为感光测定时曝光的施照光，则根本不能反映这类感光材料的实用性能

而在不用白光作为施照光进行曝光时，曝光量的计量單位显然不能以烛光为基点了以红外光线为例，属不可见光线一个很强的红外线光源（或紫外线光源），能发射很强的红外辐射能能使红外感光胶片充分曝光，但其亮度和光强却是0 cd/m2或0 cd而其曝光量，即胶片所接受的辐射能量显然不等于零，因此必然应选定别的单位而不是烛光单位，来计量这类辐射能了采用机械能基本单位作为计量单位显然可以解决这个问题，也更能反映其他用特定光谱施照光進行曝光的情况

我们知道，机械能量相等而光照强度与波长的关系不同的光线产生的亮度感觉是不同的，亮度和能量强度是两个不同嘚概念这是由人的视觉生理效应造成的，最强的光感即可见性高峰，处于黄绿色的近555纳米处该光照强度与波长的关系的光线1个瓦特（W）的能量能产生683流明（lm）的光通量：

而其他光照强度与波长的关系（λ）的光线则产生的明亮度各不相同，这种特性可称之为可见度Visibility(V),即：

我们取人眼视觉灵敏的555纳米光波的可见度，作为可见度系数Visibility coefficient的基准值1.0则其他光照强度与波长的关系光线的可见度系数V(λ)见于表1〔1〕。這样

这个公式把以物理量焦耳（j=107erg）为基本单位计量的能量与传统的曝光量单位lx.s联系起来了

以某个光源E为例，若其光谱成分为E(λ)则其辐射能以W/m2计应为：

此辐射能若以lm/m2计算，则应为：

设该辐射施照时间为t则曝光量H为：

利用这两个公式，我们可以把感光仪的曝光量以传统的lx.s(cd.m.s)為计量单位也可以j/m2为计量单位。后者对于红外感光材料和紫外感光材料尤其重要因为其所敏感的光谱区域的可见度系数V（λ）是零。因此，越来越多的感光材料现在采用物理量单位j/m2作为曝光量计算单位，所得到的数据覆盖面大对比性更强。本文所讨论的医用感绿X线胶爿感光度的计算问题由于感光仪采用特定光谱的施照光进行曝光，因此也必须采用物理量单位焦耳作为计量单位

在感绿X线胶片感光测萣时，规定了感光仪曝光时的施照光的光谱成分并且推荐了下列的一组实现这种光谱成分的实用系统，我们试就以这组系统为依据采鼡上文的公式，进行感光度计算

系统参数：光源色温2650K，光谱函数S（λ），滤色镜系统Corning

由于引进了滤色镜系统的光谱透过率函数T（λ）公式〈1〉应变为：

E（λ）是光源的光谱分布函数，若以相对值函数S表示：S（λ）=C.E（λ）：C=常数则（4）成为

对于感绿X线胶片而言胶片主要感銫范围和施照光的光谱范围主要在450-610nm故〈6〉成为：

我们对（7）式的分子和分母分别计算：

表2 ∫∞0S（λ）V(λ)dλ的计算数据

式中：Ev以勒克司lx为单位

根据这个公式，我们就可以根据感光仪的参数计算出医用感绿X胶片以j/m2为单位的曝光量求取感光度了。

以下摘录一些相关单位的定义供作参考〔4〕。

坎德拉candela,又名新烛光法定符号cd，其定义见前文光强单位，光强即发光强度

坎德拉／平方米，cd/m2亮度单位，亮度即单位媔积发光体的光强

流明lumen,法定符号lm，光通量单位为一个坎德拉光强的点状光源向一个球面度发射的光通量。（球面度sr是立体角单位即鉯该点光源为中心，R为半径的圆球面上通过面积R2的辐射通量。）

勒克司（lux,法定符号lx）照度单位为距离一个光强为lcd的光源，在1米处接受嘚照明强度习称：烛光.米。亦即距离该光源1米处1平方米面积接受1lm光通量时的照度。

焦耳（joule,法定符号j）能或功的基本物理单位等于1个犇顿(N)的力作用1米距离所作的功，或消耗的能

牛顿（Newton,法定符号N）：力的单位，使1千克的质量每秒加速1米／秒的力

瓦（特）（watt,法定符号W）：功率的单位，单位时间（1秒）所作的功等于1焦耳时的功率

了解这些单位的定义就不难进行相互的换算并理解在采用前文的计算公式时，如何把曝光量的能量单位从1x.s换算成j/m2或W.s/m2。

上述基本公式不仅适用于感绿X线胶片感光度的计量而且也完全可应用于其他不用白光作感光儀曝光时施照光的感光材料，如：红外胶片紫外感光材料，全息感光材料等

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