發(fā)光二極管光取出原理

    半導體發(fā)光二極管的輻射發(fā)光效率（Radiant Efficiency,η_R）又被稱(chēng)為電光轉換效率（Wall-Plug Efficiency,η_WP），是光輸出功率與光輸入功率之比。

　　式中，η_ext是外部量子效率（External Quantum Efficiency）；η_v是電壓效率。因為外部量子效率等于內部量子效率（Internal Quantum Efficiency, η_int）乘以光取出效率（Extraction Efficiency，C_ex），所以

    內部量子效率是光子數與電子空穴復合數之比，因此

　　而

　　其中，P_opt為光輸出功率；I為電流；V為電壓；h為普朗克常數；f為頻率（Frequency）；q為電荷量。

    一般η_v的范圍是0.75~0.97，要增加η_v就是要減少電阻及電壓與臨界電流，而電阻則與LED_pn結中的p層雜質(zhì)分布及電接觸有關(guān)。所以

    在進(jìn)入功率IV一定時(shí)，要改進(jìn)η_{w p}就要改進(jìn)內部量子效率以得到高的P_opt以及高的光取出效率。而這里主要的目的就是介紹怎樣增加光取出效率以得到高亮度、高效率的LED。

    一般LED都以平面結構生長(cháng)在有光吸收（Absorbing）功能的襯底上，上面以環(huán)氧樹(shù)脂圓頂形（Epoxy Dome）封裝，這種結構的光取出效率非常低，僅為4%左右，而質(zhì)量好的雙異質(zhì)結構的內部量子效率可高達99%，所以只有一小部分的光被放出，主要原因有：一是電流分布不當以及光被材料本身所吸收；二是光不易從高折射率(Refractive Index)的半導體傳至低折射率的外圍空氣（n=1）。

    LED的發(fā)光是由pn結中的活性層產(chǎn)生，其外部量子效率是內部量子效率乘以光取出效率C_ex，而C_ex則有三種不同的光損失機制，由于材料本身的吸收而產(chǎn)生損失η_A、菲涅耳（Fresnel）損失η_Fr及全反射角（Critical Angle）損失η_{c r}，所以

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    要減少因材料本身的吸收以及電流分布不當而產(chǎn)生的損失，應該①要有厚的窗口層（Window Layer ）或電流分布層使電流能均勻分布并增大表面透過(guò)率；②用電流局限（Current Blocking）技術(shù)使電流不在電接觸區域下通過(guò)；③用透明、不吸收光材料作襯底（Substrate）或者在活性層下設置反射鏡將反射至表面。

    當光從折射率為n₁的某一物質(zhì)到折射率為n₂的另一物質(zhì)時(shí)，一部分的光會(huì )被反射回去，這種損失稱(chēng)作菲涅耳損失。一般反射系數R為

　　而透射系數（Transmission Coefficient）T為

　　將此式除以n₁n₂，那么菲涅耳損失系數η_Fr為

    如果光由半導體（n₁=3.4）射至空氣（n₂=1），那么η_Fr=0.702，也就是70.2%的光可以透射半導體與空氣的界面。假如半導體表面可以涂上一層材料，其折射率，那么η_Fr=0.832，透射率增加了18.5%。假若用樹(shù)脂材料(n_x=1.5)，則η_Fr=0.816，也可以增加16.2%透射率。

    全反射角損失是由于斯涅耳定律的關(guān)系

　　n₁sinθ₁=n₂sinθ₂

　　只有小于臨界角（Critical Angle）θ_c內的光可以完成被射出，其他的光則被反射回內部或吸收，而此臨界角是

    如果n₁=3.4，n₂=1，則θ_c=17

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