LED 发光原理

发光二极管是采用磷、镓、砷合成的二极管，内部单元是一个PN结。在外加正向电压时，电子与空穴的复合是以光子的形式释放能量，因此它具有发光特性。发光二极管的掺杂浓度很高，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结的限制，在常态下，二者不能发生自然的复合。当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷区变窄，载流子的扩散运动大于漂移运动，将使P区的空穴扩散到N区，N区的电子扩散到P区。于是在PN结附近稍偏于P区一侧的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时，会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的 PN结上加反向电压，空间电荷区变宽，多数载流子难以进行扩散运动，只有少数载流子的漂移运动，故不会产生发光效应。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结数亳米以内产生。发光的波长取决于材料的禁带宽度，所以选用不同禁带宽度的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光极管，其中蓝色发光二极管生产技术要求较高，价格高，使用不普遍。白光LED 是以蓝光LED、RGB三基色LED及紫外光或紫光LED为基础而制得的。以InGaN 基蓝光LED/YGA荧光配合方案为例，蓝光激发荧光粉发出黄光，于是得到蓝光与黄光混合光，人眼看到的是白色光。

LED 电学特性

(1)V-I特性

V-I特性是表征 LED芯片PN结性能的主要参数。LED的V-I特性具有非线性和单向导电性。正常情况下推荐的工作电流为20mA，压降为3.2V。

(2) C-V特性

LED 电容直接影响尤其所构成的电路的频率响应。LED电容一般是指包括PN结结电容和引线分布电容等在内的总电容，其中PN结结电容居支配地位。LED的芯片尺寸和封装结构不同，其电容也就各不相同，有的远远小于1皮法(pF)，有的则达100pF以上。由于 LED 的PN结面积大小不一，在零偏压下的结电容(Co)大不相同。

(3)响应时间

发光二极管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。响应时间用于表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。LED的上升时间随着电流的增大近似地按指数规律衰减。直接跃迁的材料的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料(如GaP)的响应时间则是100ns。不同种类的LED响应时间是不同的，即使是同类 LED，其响应时间也有差别，表2-1为几种发光二极管的响应时间。

LED 光学特性

(1)光通量

光通量Φ是表征LED总光输出的辐射能量，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。随着电流增加，LED的光通量随之增大。可见光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，芯片尺寸为1mmx1mm并采用倒装焊技术的白光LED 在150mA以下的光通量约为20lm。

(2)发光强度

光源在给定方向的单位立体角内发出的光通量定义为光源在该方向上的发光强度（简称光强），以I表示，单位为坎德拉(cd)。LED的光强用于表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了 LED的光强分布特性。这个参数的实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。LED 采用的是圆柱形、圆球型封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强的指向性当偏离正法向。方向不同的角度时，光强也随之变化。

(3)发光峰值波长及其光谱分布

LED 所发的光并非单一波长，无论用什么材料制成的LED，其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，此波长叫做峰值波长，用λ0表示。由图可知白光LED是蓝光与黄光的混合光。

(4) 发光效率

发光效率是指一个光源所发出的光通量与光源消耗的电功率P之比。发光效率表征了光源的节能特性，其数值越高表示光源的效率越高，是衡量现代光源性能的一个重要指标。目前商用白光LED的光效尚未达到荧光灯的水平，但早已超过白炽灯和卤钨灯。

LED 电流与亮度的关系

由于 LED 的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，相对亮度与IFp的关系曲线如图所示

因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。下图是NSPW300DS LED的温度与相对亮度的关系曲线，由图可知相对亮度与温度成反比，80℃时的相对亮度是20℃时的 0.85倍，此外温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。