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一、LED的结构

LED 的结构主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。 LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，它被置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，如图所示

LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与白炽灯和氖灯相比，LED的特点是：工作电压低；工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制LED的电流大小可以方便地调制其发光的强弱。 LED的发光过程包括3部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝光、紫光携带的能量最多，橙光、红光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的能量，从而能够发出不同颜色的光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量多少也不同，释放出的能量越多，发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的LED，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，它们的材料和

主要特性见表：

二、LED的发光原理

LED是由Ⅲ-V 族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的I—V特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。 PN结根据其端电压构成一定的势垒；当正向偏置时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，因此出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是PN结发光的原理，如图所示：

三、LED的光学特性

LED有红外（非可见光）与可见光两个系列，非可见光系列 LED 可用辐射度来量度其光学特性，可见光系列LED可用光度学（计量可见光的能量的学科）来量度其光学特性。 LED发光强度用于表征LED在某个方向上发光的强弱。由于LED在不同空间角度上的光强相差很大，因此，分析和研究LED的光强分布特性具有实际意义，它可直接反应 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参数。LED采用的是圆柱、圆球形封装，由于凸透镜的作用，具有很强的指向性（法向光强，其与水平面的交角为90°，当偏离法向不同角度时光强也随着变化）。

② 发光强度分布。发光强度随封装形状不同而依赖方向角，一种在 GaP 基片上生成GaAsP，LED的发光分布图如图 所示，谱线宽度为 40nm，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。

③ 光出射度。下图表明了几种半导体 PN 结的光出射度与输入电流的关系。可见，GaAs1xPx和Ga1xAlxAs LED具有良好的线性，其他两种则相当差。

④ 发光强度的角分布。发光强度的角分布用于描述LED 发出的光在空间各个方向上的光强分布。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）。通过一定的产品工艺可获得高指向性的角分布。