图1.21 LED工作原理 图1.22 半导体发光二极管
辐射光的波长取决于半导体材料的禁带宽度Eg，即
??1.24eV?m (1.47) Eg不同材料的禁带宽度Eg不同，所以不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外有些材料由于成分和搀杂不同，有各种各样的发光二极管。图1.22(a)是其外观图，图(b)则是其器件符号。
常用发光二极管材料及性能如表1.7所示。
表1.7 发光二极管性能
材料 GaAs0.6P0.4 GaAs0.15P0.85 GaP:N GaAs GaAsSi 光色 红 黄 绿 红外 红外 峰值波长/nm 650 589 565 910 940 光谱光视效能(lm·W-1) 70 450 610 2. 主要参数和特性
半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数，如正向电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等电学参数；辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等光学参数。这些参数可从光电器件手册中查到。
了解半导体发光二极管的特性，对于正确使用它有重要意义。
(1) 伏安特性。 LED的伏安特性与普通半导体二极管相同，如图1.23所示。从特性曲线可以看出，正向电压较小时不发光，此区为正向死区，对于GaAs其开启电压约为1 V，对于 GaAsP 为1.5 V，对于GaP(红)约1.8 V，GaP(绿)约2 V。ab段为工作区即大量发光区，其正向电压一般为1.5~3 V。
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图1.23 LED的伏安特性 图1.24 几种LED的光谱特性曲线
加反向电压时不发光，这时的电流称为反向饱和电流，当反向电压加至击穿电压的时候，电流突然增加，称为反向击穿，反向击穿电压约为5 V ~20 V左右。
(2) 光谱特性
发光二极管发出的光是纯单色光，其谱线宽度比激光宽，但比复色光源谱线窄。如GaAs发光二极管的谱线宽度约25 nm，因此可以认为是单色光。如图1.24所示为其光谱特性。GaP(红)的峰值波长在700 nm左右，其半宽度约100 nm。若P-N结温度上升，则峰值波长向波长方向飘移，即具有正的温度系数。
(3) 发光亮度特性
发光二极管的发光亮度基本上正比于电流密度，如图1.25所示，是几种LED的出射度与电流密度的关系曲线。可以看出大多数LED的发光亮度与电流密度成正比，但随电流密度的增加，发光亮度有趋于饱和的现象，因此采用脉冲驱动方式是有利的，它可以在平均电流与直流相等的情况下有更高的亮度。
(4) 温度特性
温度对LED P-N结的复合电流是有影响的，P-N结温度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。电流与温度的关系，如图1.26所示。
图1.25 出射度与电流密度曲线 图1.26 发光电流与温度关系
(5) 配光曲线
配光曲线即发光的光强分布曲线，它与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关。
掌握发光二极管的电学参数，如工作电压、工作电流、开启电压和功耗是保证LED
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正常发光和提高寿命，正确使用它是十分重要的。开启电压和工作电压在伏安特性里已经介绍过，功耗PF?UFLF，其中UF是工作电压，而IF是工作电流。通常用PFM表示最大功耗，把20 ℃时的PFM定义为额定功耗，工作电流一般根据PFM来确定，通常IF?0.6IFM。 发光二极管的响应时间是动态参数，是指LED开启与熄灭的时间延迟，通常用开启时间tr和下降时间tF来表征。
开启时间tr是指接通电源后，发光亮度从10%开始到达90%所经历的时间，在一般在4~10 ns之间。下降时间tF是指切断电源后，管子发光亮度从90%降到10%所经历的时间，一般在4 ns到几十ns之间。可以看出发光二极管的响应时间很短，可工作于10~100 MHz的动态场合。
发光二极管的寿命很长，在电流密度I为1 A/cm2情况下，可以达到105h以上。电流密度大时，发光亮度高，但寿命会很快缩短。在正常使用情况下，LED的寿命大约是白灯泡的30倍，间歇使用的LED寿命可达30年。
LED在光电测量中除了做光源外，还可用作指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性指示、数码显示等。高亮度的LED广泛地使用，如将它用于汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等，将大量节约能源。
参考文献
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习 题
1.1 用角频率?、电容率??和磁导率??表示平面波的传播常数。
1.2 在垂直于传播方向的平面内电场和磁场是常数的电磁波称为平面电磁波。试证明这样电磁波的电场必然垂直于传播方向。
1.3 自由空间中的一列电磁谐波用E=E0cos(kx-?t)来描述，试证明辐射度I?1/2v?E02。 1.4 一列平面电磁波通过自由空间运动，其E场(也称为光场)形式为Ex=0，Ey=0和
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Ez?100sin(8π?10(t-14x3?108))，试计算对应的辐射度。
1.5 某激光器发出的激光波长为633 nm，功率为10 mW，发散角为1 mrad, 发光面是直径为1mm的圆，已知v(633)=0.265，求：①该激光束的光通量；②发光强度Iv；③光亮度Lv；④光出射度Mv。
1.6 一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。
1.7 假定一个钨丝充气灯泡的功率为300W，光视效能为20lm/W，灯丝尺寸为8×8.5mm2，如图1.27所示，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。
图1.27 习题1.7图示
1.8 试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。
1.9 已知太阳的辐射亮度L0为2×107Wm-2sr-1，太阳的半径r为6.957×108m，地球的半径re为6.371×106m，太阳到地球的年平均距离l为1.496×1011m，求太阳的辐出度M0、辐强度I0、辐通量?0以及地球接收的辐通量?地、地球大气层边沿的辐照度?地。
1.10 假定太阳和地球都可以看成黑体，如太阳表面温度TS =6000K，地球表面各处温度相同，试求地球的表面温度(已知太阳的半径RS=6.96×105km，太阳到地球的距离l=1.496×108km)。
1.11 夜间地面降温主要是由于地面的热辐射。如果晴天夜里地面温度为?5℃，按黑体辐射计算，1m2地面失去热量的速率是多大？
1.12 某黑体的光谱辐射出射度MV的极大值出现在zvm=3.4×1014 Hz处。(1) 求太阳表面的温度T；(2) 求太阳表面的辐射出射度M。
1.13 在加热黑体过程中，其单色辐出度的峰值波长是由0.69mm变化到0.50mm，求总辐出度改变为原来的多少倍?
1.14 简述半导体激光器的工作原理。
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