发光二极管（LED）是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属于自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽（30?60nm）和较大的发射角（^100°）,常用于低速、短距离光传输系统。在安防视频监控中主要用于光发射端机与主动式红外发光光源等。

发光二极管（LED）的结构及其发光原理 1.发光二极管（LED）的结构

       发光二极管由P型和N型半导体组合而成。它实际是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座上，欧姆接触引出两根金属引线，然后用透明环氧树脂封装而成。

       LED的结构既可以釆用PN同质结结构，也可釆用PN异质结结构。异质结结构可以控制发光面积和消除由透明包层引起的吸收，LED普遍釆用双异质结结构，从而使LED具有优异的工作特性。

       LED品种繁多，结构和性能各异。由于可以制造出材料、结构、发光颜色、发光面特征、功能不同的LED,从而为LED提供了广阔的应用空间，成为时下首选的绿色环保光源。目前，根据发光方向、发光功率、耦合效率、是否有谐振腔的不同，光纤通信中所用的LED的结构可以分为如下的几个类型：

面发光二极管(SurfaceLightEmittingDiode,SLED)；

边发光二极管(EdgeLightEmittingDiode,ELED):

超辐射(或超高亮度)发光二极管(SuperluminescentLightEmittingDiode,S-LED):

谐振腔发光二极管(ResonantCavityLightEmittingDiode,RC-LED)；

量子点发光二极管(QuantumDotLightEmittingDiode,QD-LED或QLED)。

2.发光二极管(LED)发光的基本原理

      当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合，从而释放能量而发光。

       光的波长(决定光的颜色)由形成PN结构的材料决定，因而可以制造各种不同波长的LED。目前实用的发光二极管大多用111?V族半导体材料制成，用这些材料制成的发光二极管的特性参数如表2-2示。.

表2-2各种材料制成的发光二极管的特性参数

材料 禁带宽度/eV 峰值波长/ nm 结构 颜色 外部效率/%

GaAs   940 PN 红外  

GaP 2.24 585 PN 黄  

GaP (Zn, O2) 2.24 700 PN 红 1.0

GaP (Zn, N2) 2.24 565 PN 绿 0.1

GaAs1-xPx 1.84 ?1.94 620?680 PN 红 0.3

Ga1-xAlx As 1.80 ?1.92 640?700 PN 红 0.4

GaN 3.5 0.44 MIS 蓝 0.01 ?0.1

3.发光二极管(LED)的主要特点

      (1)工作电压低，有的仅需1.5?1.7V即能导通发光，一般正向电压约为2V,因而能直接与集成电路匹配使用。

      (2)工作电流小，其典型值约为10mA。

      (3)具有和普通晶体二极管相似的单向导电特性，只是死区电压略高些。

      (4)具有和硅稳压二极管相似的稳压特性。

      (5)响应速度极快，时间常数为106?］0%,有良好的频率特性，调制频率可以很高。

      (6)小巧轻便、耐震动、寿命长，一般可达10万小时以上。 

      (7)主要缺点是发光效率低，有效发光面很难做大。

发光二极管(LED)的主要特性参数 1.LED的效率

(1)功率效率μp。即将输入的电功率pi转换成辐射的功率pe的效率，即

ηp=pe/pix100%            (2-3）

      要提高ηp,就是要提高在一定电功率输入下的辐射功率输出，也就是减小器件的无用电功率损耗。如做好欧姆接触，以减小焦耳热的损耗功率等。

(2)光学效率ηO。即外量子效率ηqe与内量子效率ηqi的比，即

       光学效率可用来比较外量子效率的相对大小。所谓量子效率，是指注入载流子复合而产生的光量子的效率。但由于内吸收和内反射等原因，使得产生的光量子不能全部射出，因此量子效率又分为内量子效率和外量子效率。内量子效率等于辐射复合所产生的光子数NT'与激发时注入的电子空穴对数G之比，即 

ηqi=N´T/G                      (2-5)

       由于半导体材料的折射率较高，反射和吸收的损失很大，所以辐射复合所产生的光量子不能全部射出器件之外。外量子效率是射出的光子数Nr与注入的电子空穴对数G之比，即

ηqe-NT/G                      (2-6)

        提高光学效率的方法就是减少吸收(选择最佳结深等)与晶体表面的内反射损失(选合适的封装材料等)。

       (3)流明效率ηL。也称为光度效率或发光效率。即用于显示的人眼衡量的效率，它表示消耗单位电功率Pi所得到的光通量F,即

ηL=F/Pi(lm/W)                   (2-7)

而

ηL=ηP*ηb                               (2-8)

式中，ηb为照明效率，它是辐射功率转换成光通量的效率，即

ηb=F/Pe(lm/W)(2-9)

      显然，提高ηL的方法就是提高ηp和ηb，即使发射光谱与视见函数有最大的重叠。

2.LED的伏安特性与P-I特性

图2-3    LED的伏安特性