LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件，具备PN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）。

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，I-V特性曲线如图2-3所示。

1）正向死区（图2-3中的oa或o′a′段）。a点对应的V_a为开启电压，当V<V_a，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。

图2-3 I-V特性曲线

2）正向工作区。工作电流I_F与外加电压呈指数关系

式中，I_S为反向饱和电流。

在V＞V_F的正向工作区，I_F随V_F指数上升

·正向工作电流I_F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I_F在0.6I_Fm以下。

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

在正向电压小于某一值（阈值）时，电流极小，LED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V-I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I_R<10μA。LED的正向伏安特性如图2-4所示。LED伏安特性模型可用下式表示

V_F=V_turn-on+R_sI_F+(ΔV_F/ΔT)(T−25℃) （2-9）

式中，V_turn-on为LED的启动电压；Rs表示伏安曲线的斜率；T为环境温度；ΔV_F/ΔT为LED正向电压的温度系数，对于多数LED典型值为−2V/℃。

从LED的V-I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。

图2-4 LED的正向伏安特性

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

4）反向击穿区V_R。V_R对应I_R为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<−V_R时，则I_R突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类的不同，各种LED的反向击穿电压V_R也不同。

（2）C-V特性

LED的芯片有9×9mil，10×10mil，11×11mil，12×12mil等规格。LED芯片PN结的结电容C_j为势垒电容C_b与扩散电容C_d之和（C_j=C_b+C_d）。LED的C-V特性呈二次函数关系，如图2-5所示（图2-5所示的C-V特性是由1MHz交流信号用C-V特性测试仪测得）。

图2-5 LED的C-V特性曲线

（3）允许功耗P

当流过LED的电流为I_F、管压降为V_F，则LED的功率消耗为P=V_FI_F。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T_j、外部环境温度为T_a，则当T_j＞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

P=K_T(T_j−T_a) （2-10）

（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成指数地衰减。直接跃迁的材料（如GaAs1-xPx）的响应时间仅几个ns，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间则为100ns。

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2-6中的t_r、t_f。图2-6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t_r（上升时间）。t_r是指接通电源使LED发光强度达到正常值的10%开始，一直到LED发光强度达到正常值的90%所经历的时间。

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

不同材料制造的LED响应时间各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs的响应时间小于10⁻⁹s，GaP为10⁻⁷s。因此，它们可应用于10～100MHz的高频系统。

图2-6 LED响应时间特性图

2.LED的光学特性

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

（1）发光法向光强及其角分布

LED发光强度是表征LED在某个方向上的发光强弱。由于LED在不同的空间角度光强相差很多，因此分析和研究LED的光强分布特性具有实际意义，其直接反应LED光源的最小观察角度。

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

2）发光强度分布。发光强度根据不同封装形状而依赖方向角，一种在GaP基片上生成的GaAsP-LED发光分布图，如图2-7所示，谱线宽度为400Å，光发射的角度宽度约为22°，LED的辐射通量是集中在一定角度内发射出去的。

图2-7 LED的发光分布图

3）光出射度。图2-8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发出的光在空间各个方向上的发光强度分布。它主要取决于LED的封装工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中是否添加散射剂），为获得图2-9所示的高指向性的角分布，应采取以下措施：

图2-8 PN结发射的光出射度与输入电流的关系

图2-9 高指向性的角分布

·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散射角在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2-10所示分布（纵轴是相对光强度）。由图2-10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，则发光为1cd。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，LED的有关主波长、纯度、相关色度参数亦随之确定。

图2-10 LED光波长分布图

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LED的几何形状、封装方式无关。图2-11绘出了几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱的响应曲线。在图2-11中：

图2-11 不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱的响应曲线

曲线1是蓝色InGaN/GaN的LED，发光谱峰λ_p=460～465nm。

曲线2是绿色GaPN的LED，发光谱峰λ_p=550nm。

曲线3是红色GaPZn-O的LED，发光谱峰λ_p=680～700nm。

曲线4是使用GaAs材料的LED，发光谱峰λ_p=910nm。

曲线5是Si光电二极管，通常作光电接收用。(www.daowen.com)

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，往往以经过多次反射，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半导体材料的能量E_g小。例如，GaAs发射的峰值波长所对应的光子能量为1.1eV，比室温下的半导体材料的能量E_g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提供的是谱线半宽度很大的单色光。由于半导体的能量随温度的上升而减小，因此它所发射光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，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λ_p−Δλ、λ_p+Δλ，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。光谱半宽度2Δλ表示光谱纯度，是指图2-12中1/2峰值光强所对应两波长的间隔。

图2-12 两只不同型号的LED发光强度角分布

图2-12给出两只不同型号的LED发光强度角分布，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2-12可以得到半值角或视角值。半值角θ₁/2是指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等的主要颜色是否纯正。因为在许多场合下，如交通信号灯对颜色的要求比较严格，目前我国的一些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，甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述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，结温升高使主波长偏向长波长。

（3）光通量

光通量（Φ）是表征LED光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。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。随着电流的增加，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的光通量最大约为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）视觉灵敏度和发光效率

1）视觉灵敏度。人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680lm/W。若将视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量Φ之间的关系为

P=∫PλdλΦ=∫KλPλdλ （2-11）

2）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

η=发射的光子数/PN结载流子数=(e/h_cI)∫λPλdλ （2-12）

若输入能量为W=VI，则发光能量效率为

若光子能量hc=ev，则

η≈η_P （2-14）

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，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，ηF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，η_out为从LED输出光子的效率。

这样η_qe等于注入每个电子空穴对所产生的输出器件外的有效光子数，一般只有1%～13%。发射红外的η_qe可达15%，而绿光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%，图2-13a所示结构的全反射损失为96%，出射的光只有百分之几。图2-13b所示结构的全反射损失则大为减少。在图2-13b中的球型部分常用材料为透明树脂，以降低成本。

3）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，故也称为可见光发光效率。表2-3列出了几种常见LED流明效率（可见光发光效率）。

图2-13 LED结构示意图

表2-3 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向外发出光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为

η=η_iη_cη_e （2-17）式中，η_i向为PN结区少子注入效率；η_c为在势垒区少子与多子复合效率；η_e为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED材料折射率很高η_i≈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），被空气反射，其反射率为

(η_i−1)²/(η_i+1)²=0.32

反射出的光仅占32%，因有相当一部分的光被吸收，从而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E_g大的半导体材料作衬底以减少晶体内光吸收。若用折射率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系LED效率提高4～6倍。

（5）亮度

亮度是LED发光性能的又一重要参数，具有很强的方向性。亮度是指在某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上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或Nit。其正法线方向的亮度为

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14×10⁸cd/m²。LED亮度与外加电流密度有关，通常LED的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，温升后，亮度呈饱和状态。

（6）寿命

LED的寿命一般很长，在电流密度J₀小于1A/cm²的情况下，寿命可达1000000h，即可连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它比拟的。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J₀和老化时间常数r有关。

LED的发光强度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象称为老化，可描述为

L_t=L₀e^−t/τ （2-19）

式中，L_t为t时间后的亮度；L₀为初始亮度。

通常把亮度降到L_t=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，刚点燃时测得L₀，在点燃10³～10⁴h后，测得L_t（LED点燃后1000～10000h），代入L_t=L₀e−t/τ求出τ；再把L_t=1/2L₀代入，可求出寿命t。

长期以来认为LED的寿命为10⁶h，这是指单个LED在I_F=20mA的情况下。随着功率型LED的开发应用，国外学者认为可以以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I_F<10mA或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λ_p就会向长波长漂移，L₀也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性的影响。LED的主波长随温度关系可表示为

λ_p(T′)=λ₀(T₀)+ΔT_g×0.1nm/℃ （2-20）

由式（2-20）可知，每当LED的结温升高10℃，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的通风设备以确保LED长期稳定工作。

4.LED的发光质量

LED的发光质量主要有以下3个方面：

1）LED的发光强度。LED的灯杯和金线是不会对LED的发光强度有影响的，而影响LED的发光强度的主要因素是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的技术水平有关。

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的合资公司目前已研发并生产出光效达到17lm/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2-4。

表2-4 白炽灯与白色LED的性能比较

5.LED的极限参数

LED的极限参数有：

1）允许功耗P_m。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I_Fm。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V_Rm。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t_opm。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，效率将大大降低。