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一、LED的結(jié)構(gòu)

LED 的結(jié)構(gòu)主要由 PN 結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。當在電極上加上正向偏壓之后，電子和空穴分別注入P區(qū)和N區(qū)，當非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。 LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，它被置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，如圖所示

LED的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的LED的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。與白熾燈和氖燈相比，LED的特點是：工作電壓低；工作電流很小；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制LED的電流大小可以方便地調(diào)制其發(fā)光的強弱。 LED的發(fā)光過程包括3部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體芯片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂中，當電子經(jīng)過該芯片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，在可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍光、紫光攜帶的能量最多，橙光、紅光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的能量，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同，當電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少也不同，釋放出的能量越多，發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的LED，磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，它們的材料和

主要特性見表：

二、LED的發(fā)光原理

LED是由Ⅲ-V 族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此，它具有一般PN結(jié)的I—V特性，即正向?qū)?、反向截止和擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。 PN結(jié)根據(jù)其端電壓構(gòu)成一定的勢壘；當正向偏置時勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，因此出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是PN結(jié)發(fā)光的原理，如圖所示：

三、LED的光學(xué)特性

LED有紅外（非可見光）與可見光兩個系列，非可見光系列 LED 可用輻射度來量度其光學(xué)特性，可見光系列LED可用光度學(xué)（計量可見光的能量的學(xué)科）來量度其光學(xué)特性。 LED發(fā)光強度用于表征LED在某個方向上發(fā)光的強弱。由于LED在不同空間角度上的光強相差很大，因此，分析和研究LED的光強分布特性具有實際意義，它可直接反應(yīng) LED光源的最小觀察角度。

① 發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能參數(shù)。LED采用的是圓柱、圓球形封裝，由于凸透鏡的作用，具有很強的指向性（法向光強，其與水平面的交角為90°，當偏離法向不同角度時光強也隨著變化）。

② 發(fā)光強度分布。發(fā)光強度隨封裝形狀不同而依賴方向角，一種在 GaP 基片上生成GaAsP，LED的發(fā)光分布圖如圖 所示，譜線寬度為 40nm，光發(fā)射的角度寬度約為 22°，LED的輻射通量是集中在一定角度內(nèi)發(fā)射出去的。

③ 光出射度。下圖表明了幾種半導(dǎo)體 PN 結(jié)的光出射度與輸入電流的關(guān)系。可見，GaAs1xPx和Ga1xAlxAs LED具有良好的線性，其他兩種則相當差。

④ 發(fā)光強度的角分布。發(fā)光強度的角分布用于描述LED 發(fā)出的光在空間各個方向上的光強分布。它主要取決于LED的封裝工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中是否添加散射劑）。通過一定的產(chǎn)品工藝可獲得高指向性的角分布。