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LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你詳細介紹。 1、LED電學(xué)特性 1.1 I-V特性 表征LED芯片pn結制備性能主要參數。LED的I-V特性具有非線(xiàn)性、整流性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅щ娦�，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 
�。�1） 正向死區：（圖oa 或oa′段）a點(diǎn)對于V0 為開(kāi)啟電壓，當V＜Va，外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場(chǎng)，此時(shí)R很大；開(kāi)啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs 為1V，紅色GaAsP 為1.2V，GaP 為1.8V，GaN 為2.5V。 �。�2）正向工作區：電流IF 與外加電壓呈指數關(guān)系 IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 為反向飽和電流。V＞0 時(shí)，V＞VF 的正向工作區IF 隨VF 指數上升， IF = IS e qVF/KT �。�3）反向死區 ：V＜0 時(shí)pn 結加反偏壓V= - VR 時(shí)，反向漏電流IR（V= -5V）時(shí)，GaP 為0V，GaN 為10uA。 �。�4）反向擊穿區 V＜- VR ，VR 稱(chēng)為反向擊穿電壓；VR 電壓對應IR 為反向漏電流。當反向偏壓一直增加使V＜- VR 時(shí)，則出現IR 突然增加而出現擊穿現象。由于所用化合物材料種類(lèi)不同，各種LED 的反向擊穿電壓VR 也不同。 1.2 C-V特性 鑒于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 結面積大小不一，使其結電容（零偏壓）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函數關(guān)系（如圖2）。由1MHZ 交流信號用C-V 特性測試儀測得。
當流過(guò)LED的電流為IF、管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IF. LED工作時(shí)，外加偏壓、偏流一定促使載流子復合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊�，使結溫升高。若結溫為T(mén)j、外部環(huán)境溫度為T(mén)a，則當Tj＞Ta 時(shí)，內部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量（功率），可表示為P = KT（Tj – Ta）。 1.4 響應時(shí)間 響應時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢�，F有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都達到10-6~10-7S（us 級）。 1.響應時(shí)間從使用角度來(lái)看，就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間，即圖3中tr 、tf 。圖中t0 值很小，可忽略。
不同材料制得的LED 響應時(shí)間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時(shí)間＜10-9S，GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統。 2 LED光學(xué)特性 發(fā)光二極管有紅外（非可見(jiàn)）與可見(jiàn)光兩個(gè)系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來(lái)量度其光學(xué)特性。 2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ 2.1.1 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。LED 大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著(zhù)不同封裝形狀而強度依賴(lài)角方向。 2.1.2 發(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹(shù)脂中添加散射劑與否） �、� 為獲得高指向性的角分布（如圖4）
�、� 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭； �、� 封裝的環(huán)氧樹(shù)脂中勿加散射劑。 采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。 �、� 當前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2 角)圓形LED：5°、10°、30°、45°。 2.2 發(fā)光峰值波長(cháng)及其光譜分布 �、� LED 發(fā)光強度或光功率輸出隨著(zhù)波長(cháng)變化而不同，繪成一條分布曲線(xiàn)——光譜分布曲線(xiàn)。當此曲線(xiàn)確定之后，器件的有關(guān)主波長(cháng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數亦隨之而定。 LED 的光譜分布與制備所用化合物半導體種類(lèi)、性質(zhì)及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無(wú)關(guān)。 下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED 光譜響應曲線(xiàn)。其中
�、� 是綠色GaP:N 的LED，發(fā)光譜峰λp = 550nm； �、� 是紅色GaP:Zn-O 的LED，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm； �、� 是紅外LED 使用GaAs 材料，發(fā)光譜峰λp = 910nm； �、� 是Si 光電二極管，通常作光電接收用。 由圖可見(jiàn)，無(wú)論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個(gè)波長(cháng)，此波長(cháng)叫峰值波長(cháng)，用λp表示。只有單色光才有λp波長(cháng)。 �、� 譜線(xiàn)寬度：在LED 譜線(xiàn)的峰值兩側±△λ處，存在兩個(gè)光強等于峰值（最大光強度）一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對應λp-△λ，λp+△λ 之間寬度叫譜線(xiàn)寬度，也稱(chēng)半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線(xiàn)寬窄，即LED 單色性的參數，LED 半寬小于40 nm。 �、� 主波長(cháng)：有的LED 發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(cháng)；甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長(cháng)。主波長(cháng)就是人眼所能觀(guān)察到的，由LED 發(fā)出主要單色光的波長(cháng)。單色性越好，則λp也就是主波長(cháng)。如GaP 材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(cháng)，而主波長(cháng)只有一個(gè)，它會(huì )隨著(zhù)LED 長(cháng)期工作，結溫升高而主波長(cháng)偏向長(cháng)波。 2.3 光通量 光通量F是表征LED 總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。F為L(cháng)ED 向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著(zhù)電流增加，LED 光通量隨之增大�？梢�(jiàn)光LED 的光通量單位為流明（lm）。 LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED 的光通量最大約1 lm，白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18 lm。 2.4 發(fā)光效率和視覺(jué)靈敏度 �、� LED效率有內部效率（pn結附近由電能轉化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來(lái)分析和評價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。 �、� 視覺(jué)靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺(jué)靈敏度在λ = 555nm 處有一個(gè)最大值680 lm/w，若視覺(jué)靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P 與可見(jiàn)光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ �、� 發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數/pn 結載流子數=（e/hcI）∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev，則η≈ηP，則總光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P。 �、� 流明效率：LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP 它是評價(jià)具有外封裝LED 特性，LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見(jiàn)光的能量較大，故也叫可見(jiàn)光發(fā)光效率。 以下列出幾種常見(jiàn)LED 流明效率（可見(jiàn)光發(fā)光效率）：
由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無(wú)環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進(jìn)一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施： �、� 用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹(shù)脂n=1.55 并不理想）覆蓋在芯片表面； �、� 把芯片晶體表面加工成半球形； �、� 用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。 2.5 發(fā)光亮度 亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數，具有很強方向性。其正法線(xiàn)方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。
LED 亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的LED，JO（電流密度）增加BO 也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，ηc（復合效率）下降，BO減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。 2.6 壽命 老化：LED 發(fā)光亮度隨著(zhù)長(cháng)時(shí)間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=BO e-t/τ，Bt 為t 時(shí)間后的亮度，BO 為初始亮度。 通常把亮度降到Bt=1/2BO 所經(jīng)歷的時(shí)間t 稱(chēng)為二極管的壽命。測定t 要花很長(cháng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。
長(cháng)期以來(lái)總認為L(cháng)ED 壽命為106小時(shí)，這是指單個(gè)LED 在IF=20mA 下。隨著(zhù)功率型LED開(kāi)發(fā)應用，國外學(xué)者認為以L(fǎng)ED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。 如LED 的光衰減為原來(lái)35%，壽命＞6000h。 3 熱學(xué)特性 LED的光學(xué)參數與pn 結結溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20 mA 長(cháng)時(shí)間連續點(diǎn)亮LED 溫升不明顯。 若環(huán)境溫度較高，LED 的主波長(cháng)或λp 就會(huì )向長(cháng)波長(cháng)漂移，BO 也會(huì )下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性、穩定性影響應專(zhuān)門(mén)設計散射通風(fēng)裝置。 LED的主波長(cháng)隨溫度關(guān)系可表示為：
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