发光二极管光取出原理

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作者：时间：2008-01-04 来源：电子元器件网

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半导体发光二极管的辐射发光效率（Radiant Efficiency,η_R）又被称为电光转换效率（Wall-Plug Efficiency,η_WP），是光输出功率与光输入功率之比。

　　式中，η_ext是外部量子效率（External Quantum Efficiency）；η_v是电压效率。因为外部量子效率等于内部量子效率（Internal Quantum Efficiency, η_int）乘以光取出效率（Extraction Efficiency，C_ex），所以

内部量子效率是光子数与电子空穴复合数之比，因此

　　而

　　其中，P_opt为光输出功率；I为电流；V为电压；h为普朗克常数；f为频率（Frequency）；q为电荷量。

一般η_v的范围是0.75~0.97，要增加η_v就是要减少电阻及电压与临界电流，而电阻则与LED_pn结中的p层杂质分布及电接触有关。所以

在进入功率IV一定时，要改进η_{w p}就要改进内部量子效率以得到高的P_opt以及高的光取出效率。而这里主要的目的就是介绍怎样增加光取出效率以得到高亮度、高效率的LED。

一般LED都以平面结构生长在有光吸收（Absorbing）功能的衬底上，上面以环氧树脂圆顶形（Epoxy Dome）封装，这种结构的光取出效率非常低，仅为4%左右，而质量好的双异质结构的内部量子效率可高达99%，所以只有一小部分的光被放出，主要原因有：一是电流分布不当以及光被材料本身所吸收；二是光不易从高折射率(Refractive Index)的半导体传至低折射率的外围空气（n=1）。

LED的发光是由pn结中的活性层产生，其外部量子效率是内部量子效率乘以光取出效率C_ex，而C_ex则有三种不同的光损失机制，由于材料本身的吸收而产生损失η_A、菲涅耳（Fresnel）损失η_Fr及全反射角（Critical Angle）损失η_{c r}，所以

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要减少因材料本身的吸收以及电流分布不当而产生的损失，应该①要有厚的窗口层（Window Layer ）或电流分布层使电流能均匀分布并增大表面透过率；②用电流局限（Current Blocking）技术使电流不在电接触区域下通过；③用透明、不吸收光材料作衬底（Substrate）或者在活性层下设置反射镜将反射至表面。

当光从折射率为n₁的某一物质到折射率为n₂的另一物质时，一部分的光会被反射回去，这种损失称作菲涅耳损失。一般反射系数R为

　　而透射系数（Transmission Coefficient）T为

　　将此式除以n₁n₂，那么菲涅耳损失系数η_Fr为

如果光由半导体（n₁=3.4）射至空气（n₂=1），那么η_Fr=0.702，也就是70.2%的光可以透射半导体与空气的界面。假如半导体表面可以涂上一层材料，其折射率，那么η_Fr=0.832，透射率增加了18.5%。假若用树脂材料(n_x=1.5)，则η_Fr=0.816，也可以增加16.2%透射率。