1.2 LED的发光原理与基本特性

1.2.1 LED的发光原理

LED芯片通常用Ⅲ～V族化合物半导体（如GaAs、GaP或GaN等）材料作衬底，其核心是PN结。高纯半导体的电阻率很高，如果在其中故意进行掺杂，就能改变其导电性。例如，在IV族元素硅（Si）中掺杂V族元素砷（As），就形成导带中具有电子的N型材料（N区），在硅中掺入Ⅲ族元素镓（Ga），就能形成价带中有空穴的P型材料（P区）；若在硅晶体中一半掺杂砷，另一半掺杂镓，则在两半之间的边界上形成一个PN结。

LED的发光原理如图1-2所示。跨过PN结，电子从N区扩散到P区，而空穴则从P区扩散到N区，如图1-2a所示。作为这一相互扩散的结果，在PN结处形成一个高度为eΔU的势垒，阻止电子和空穴进一步扩散，达到平衡状态，如图1-2b所示。当PN结加正向电压时，即P区接电源正极，N区接负极，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强，电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。进入对方区域的少数载流子的一部分会与多数载流子复合，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量（接近半导体材料的禁带宽度E_g）以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。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、价带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷）捕获，不能形成可见光，如图1-2c所示。为了提高LED的发光效率，应尽量减少产生无辐射复合中心的晶格缺陷和杂质浓度，减少无辐射复合过程。

图1-2 LED的工作原理

a）电子和空穴扩散 b）形成势垒 c）复合发光

LED所发光的峰值波长不同导致所发光的颜色不同，比如若要产生可见光，波长应在380～780nm之间，理论和实践证明，其峰值发光波长λ₀取决于选用半导体材料的禁带宽度E_g，二者关系式为

λ₀≈1240/E_g （1-1）

式中，l₀的单位为nm；E_g的单位为eV（电子伏特）。

不同的LED制造材料，可以产生具有不同能量的光子，即产生不同波长的光子。LED光源使用的第一种材料是砷化镓（GaAs），其发出的光线为红外线；另一种常用的材料为磷化镓（GaP），其发出的光线为绿光。通常，把用GaAs（改进制作工艺后可发红光）、GaP（发绿光）、GaN（发蓝光）这些用两种元素生产的LED称为二元素LED；把Ga、As、P三种元素生产的LED称为三元素LED；目前最新的工艺是用混合铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、氮（N）四种元素生产的LED，称为四元素LED。四元素LED的颜色可以涵盖所有可见光及部分紫外线的光谱范围。

1.2.2 LED的结构

LED主要由LED芯片、电极和光学系统组成。LED的制作流程是将一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上，然后四周用树脂密封。典型的大功率LED结构示意图如图1-3所示。

LED芯片是LED的核心部件，芯片形状一般为正方形或者长方形，边长一般为200～500μm，厚度一般为70～120μm。

封装树脂是影响LED性能和寿命的重要材料之一，现常用的封装树脂主要有环氧树脂和硅树脂两种。封装树脂不仅起保护内部芯片的作用，其高透射率、高折射率、高耐光性决定了LED的光学性能。

图1-3 大功率LED结构示意图

大功率LED发热较多，因此其结构必须满足散热的要求。图1-3所示的硅基板、导热硅胶、绝缘层等都具有较好的导热性能，散热片通常使用的是铝基板，可以向外界散发大量的热量。此外，金导线的导热性能也相当好，也可将部分热量传导到周围线路中散发掉。

针对不同应用场合对LED外形、散热、光学特性等方面的要求，生产商提供了不同封装类型的LED以供选择。常见的大功率LED封装产品如图1-4所示。

图1-4 常见的大功率LED封装产品

1.2.3 LED的光特性

1.LED的主要光学参数

（1）光通量

人眼对各种波长的光的视觉灵敏度不同，因此不能直接使用光源辐射能量来衡量光能的大小，而必须用人眼对光的相对感觉量即光通量（Φ）来衡量。光通量是指在单位时间内，波长在380～780nm之间的可见光范围内光源向整个空间所辐射出的总能量，单位为流明（lm）。光源的光通量越大，则人眼感觉越明亮。

（2）发光效率

发光效率是指电光源所发出的光通量与它的总输入电功率之比，单位为流明/瓦（lm/W）。发光效率通常简称光效，表征了光源的节能特性，是衡量现代光源性能的重要指标之一。

（3）发光强度

发光强度（I）是指点光源在给定方向单位球面角度内发射的光通量，单位为坎德拉（cd），公式表示为，其中，dΩ为点光源对给定方向面积元dA所张的立体角。LED的发光强度是表征其在某个方向上的发光强弱，这个参数的实际意义很大，直接影响到LED灯具的最小观察角度。很多LED采用圆柱形、圆球形封装，有凸透镜的作用，因此具有很强指向性：位于法向方向的发光强度最大，当偏离法向方向不同角度时，发光强度也随之变化。典型LED的发光强度分布如图1-5所示，左半边为极坐标图（极径为相对发光强度，极角为偏离法向角度），右半边为平面坐标图（横轴为偏离法向角度，纵轴为相对发光强度）。

图1-5 典型LED的发光强度分布

（4）照度

照度（E）是指受照表面单位面积上的光通量，单位为勒克斯（lx），即流明/平方米（lm/m²），照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。公式表示为，Φ为受照表面接收到的光源光通量，σ为受照物体表面面积。对点光源而言，dΦ=IdΩ，因此，受照面上某点的照度（E）和该点至点光源距离（d）的二次方成反比，和光强（I）及入射角（θ）的余弦均成正比，即[2]

（5）峰值发光波长及其光谱分布

LED所发的光不是单一波长。LED的波长分布有的不对称，有的则具有很好的对称性，具体取决于所用的材料种类及其结构等因素，典型LED的光谱如图1-6所示。不同LED的光谱分布曲线尽管所处的波长范围和形状不同，但都有一个相对发光强度最大处，与相对发光强度峰值对应的波长称为峰值发光波长λ₀。在1/2峰值相对发光强度对应的两波长之差称为光谱半波宽度Δl。LED的光谱特征表征其单色性的优劣和其主要颜色的纯正性。像交通信号灯等场合，对LED的光色要求比较严格。

图1-6 典型LED的光谱图

（6）发光亮度

发光强度的概念不能直接应用于不可看作点光源的广光源，此时需用发光亮度来描述。光源表面的发光亮度（L）是在给定方向上发光体表面单位投影面积的发光强度，单位为cd/m²。它是衡量LED发光性能的又一重要参数，具有很强方向性。

（7）寿命

LED的光输出会随着长时间工作而出现衰减，一般在开始的一段时间内光输出衰减较快，随后的一段时间衰减较慢，但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段，光输出急剧衰减。LED光输出衰减趋势可近似表示为

L_t=L₀e^-t/τ （1-3）

式中，L_t为t时间后的光输出；L₀为初始光输出；t为老化时间常数。

通常把光输出衰减到初始值的一定比例所经历的时间称为LED的寿命，单位为小时（h）。LED光输出降到L_t=50%L₀所经历的时间t称为L₅₀寿命，光输出降到L_t=70%L₀所经历的时间t称为L₇₀寿命，分别适用于不同应用领域，一般通用照明采用L₇₀，装饰照明采用L₅₀，国内外许多标准都对LED寿命做了限制。虽然各LED厂商均声称其LED的使用寿命可达50000～100000h，但在实际使用过程中，多种因素影响都会引起LED寿命下降，往往达不到50000h。影响LED寿命的因素包括静电影响、封装中各种材料的热膨胀系数失配及LED电极材料不均等^[3]。

2.LED的光电特性

LED的发光亮度L与正向电流I_F近似成正比，即

L=KI^m_F （1-4）

式中，K为比例系数。

在小电流范围内（I_F=1～10mA），m=1.3～1.5；当I_F＞10mA时，m=1，式（1-4）可简化为

L=KI_F （1-5）

即LED的发光亮度与正向电流成正比。

当LED的PN结加正向电压时，流动的少子和多子数量越多，发出的光线越强；同时在PN结内流动的少子和多子数量越多，单位时间内流过PN结横截面的电荷数也越多，复合就越多。因此，LED的光通量基本随流过LED的正向电流线性变化。图1-7所示为大功率LED（白光LED，型号为CSHV-NL60SWG4-A2，额定功率1W，额定电流350mA，正向工作电压典型值为3.4V，光效典型值为80lm/W）在常温下（25℃）相对光通量Ф与正向电流I_F的关系曲线。

图1-7 相对光通量Ф与正向电流I_F的关系曲线

由上述LED的光电特性可知，其发光亮度和光通量均与正向电流大小基本成正比关系，这意味着控制LED的正向电流即可控制其光输出。

1.2.4 LED的伏安特性

LED是一种可发光的二极管，核心是PN结，因此LED的伏安特性与普通二极管的伏安特性相同。LED的伏安特性是指流过芯片的电流随加到其两端的电压变化的特性，它是衡量LED性能的主要参数，是LED制作优劣的重要标志。LED的正向电压U_F与正向电流I_F的关系式为

式中，I₀为反向饱和电流；q为电子电荷，q=1.6×10^-19C；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10^-23；T为热力学温度；β为介于1～2之间的常数。

在室温（25℃）条件下，T=（273+25）K=298K，q/（kT）=39V^-1。由此可见，LED的正向电流I_F与正向电压U_F之间呈指数关系，而且当U_F为几百mV时，指数幂远大于1，因此式（1-6）可以化简为

完整的LED伏安特性包含正、反向特性两个方面，与普通二极管相同，LED同样具有单向导电性和非线性特性，如图1-8所示。LED的伏安特性曲线可以划分为正向特性区、反向特性区以及反向击穿区。

图1-8 LED的伏安特性曲线

1.正向特性区

LED两端加以正向电压U_F，就产生正向电流I_F。如果U_F小于其门槛电压，由于通过LED的电流太小而不会发光。对于普通LED，U_F通常为1.5～2.8V，I_F通常为20mA；对于1W大功率白光LED，U_F通常为3～4V，I_F通常为350mA。

LED的电流与电压呈指数关系，但在电流较大区域基本上是一个线性区域，因此，可以取两点做一条直线做线性化，如图1-9所示。

用图1-9中的直线取代指数曲线，可得到如下公式，即

图1-9 LED伏安特性线性模型

U_F≈U_ON+R_SI_F+（ΔU_F/ΔT）（T_J-25） （1-8）

式中，U_ON为LED的开通电压，由PN结的内建势垒电场决定；R_S为LED的等效内阻；T_J为LED结温；ΔU_F/ΔT为电压温度系数，通常为-2mV/℃。

一般情况下，LED的伏安特性曲线可以进一步简化为

U_F≈U_ON+R_SI_F （1-9）

2.反向特性区

N型半导体中包含少数空穴，P型半导体中存在少数自由电子，当LED外加反向电压时，这些载流子在反向电压作用下通过PN结，因此形成反向电流。反向电流有两个特点：①随温度升高而增长很快；②只要外加的反向电压在一定范围之内，反向电流基本不随反向电压变化，如图1-8中的OB段。反向电流是LED的一个重要参数。反向电流越小，说明其单向导电性能越好。

3.反向击穿区

当LED的反向电压增加到某一数值后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象，这个电压值叫作反向击穿电压。由于LED所使用的材料不同，反向击穿电压也不一样，例如AlInGaP LED反向击穿电压为20V，而InGaN LED的反向击穿电压仅为7V。

由LED的伏安特性可知，U_F的微小变化会引起I_F的较大变化，而I_F与LED光输出基本成正比，因此，如采用恒压源驱动LED，输出电压的微小变化将引起LED发光亮度的较大变化；若采用恒流源驱动LED，就很容易控制LED光输出。因此，大功率LED适宜采用恒流源驱动。

1.2.5 LED的热特性

LED的热特性与PN结结温有密切关系。当电功率W=U_FI_F施加到LED的PN结上后，该电功率中有一部分会转变为热量，该热量不会随着所发出的光向外部辐射，因此LED被称为“冷光源”，但该热量必须有一个向外部散发的通道，否则该热量的聚集将会使PN结的温度快速上升导致LED无法正常工作。PN结向外散热的通道主要是银浆-LED壳体-散热基板-散热器等，大部分热量会经该通道散发到周围环境中去，建立新的热平衡后LED内部PN结处的温度即为结温。假设LED的总热阻R_J-A为PN结与LED壳体、壳体与基板、基板与环境之间的热阻之和，则LED的结温

T_J=T_A+R_J-AP （1-10）

式中，T_J为器件的PN结结温；T_A为环境温度；P为器件的热损耗功率。

LED的工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，即输入电功率的75%～85%将转化为热功率。小功率LED一般工作条件为10～20mA，热功率较小，故长时间工作时LED结温上升幅度也较小，可忽略不计。大功率LED一般工作条件为350mA、1W以上，热功率较大，如果散热不良，则器件结温会迅速上升，从而引发一系列问题。首先，结温升高直接减少芯片出射光子，使光效率降低，实验结果表明：在室温环境下，LED温度每升高1℃，光效下降1%，结温为85℃时的光输出约是25℃时的一半；其次，结温升高会导致芯片出射光线红移，色温质量下降，尤其对于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随结温升高而降低；更严重的是，结温升高还会导致LED光衰加剧、器件寿命呈指数下降甚至直接导致LED器件损坏[4]。因此，一般LED的产品说明书中都会指明其最大允许结温（一般为125℃）以及工作温度范围，供散热设计时考虑。

为了保证LED正常工作，必须限制其结温不能超过上限并且一般留有一定余量。由式（1-10）可见，要控制结温，可以从降低环境温度、降低热功率、降低热阻三方面考虑。环境温度主要受LED灯具的使用环境限制。热功率主要由LED光电转化效率决定，这需要从LED芯片的制造材料、工艺、结构等方面来改进其复合发光效率。降低热阻的方法主要包括在光源器件级通过材料、结构的改进优化LED PN结到LED壳体之间的导热通道，如采用陶瓷基板、COB（Chip on Board）封装、金属固晶（锡膏固晶、金锡共晶）、微管道结构等，保证热量“导得出”；在灯具级通过散热技术提高LED壳体与环境之间的热交换效率，保证热量“散得掉”。