的电学特性参数

第2章　LED的特性参数

本章主要介绍LED的特性参数。特性参数是描述LED的工作状态及其性能指标的参数。首先，了解和掌握特性参数对LED产品的器件选型、系统结构与性能设计都具有重要的意义。LED是一种电光源，因此光学特性和电学特性是非常重要的特性。由于光学特性涉及光度学和色度学方面的许多基本概念，所以本章把LED的光学特性分解为光度学特性和色度学特性两个部分来进行介绍。然后，介绍LED的热学特性。此外，LED灯具的散热问题是当前应用和推广中面临的主要难题之一，因此，热学特性也是LED的重要特性。最后，介绍LED其他方面的特性，如响应时间、寿命等。

2．1　LED的光度学特性

由于LED的主要用途是用于照明及显示，所以光学特性是LED重要特性参数。光学特性包括描述其发光强弱及其光强空间分布情况的光度学特性，如光通量、发光强度、亮度、光束发散角等，以及描述其颜色（色光LED）或颜色倾向性（白光LED）的色度学特性参数，如波长或颜色（光谱特性）、色温、显色指数等。

光源的光度学特性主要包括：它发出的光的总量多少、它发出的光在某一个特定方向上的强弱，以及它发出的光强随空间的分布情况等。要掌握这些概念，首先要了解电磁波的辐射度学及可见光的光度学基本概念。

2．1．1　辐射度学与光度学的基本概念

1．辐射量与光学量

本质上光属于电磁波的范畴，可见光的波长范围为380～760nm，也就是人视觉能感受到“光亮”的电磁辐射，波长超出这一范围的电磁辐射，哪怕其辐射强度再大，人眼也无法感受到。

根据第1章的介绍，电磁波的波长范围是极其广泛的，可从短波段10－14　m数量级覆盖至长波段的108　m数量级，而可见光的波长范围为380～760nm，只占整个电磁波谱很窄的一部分。可见光的波长不同，人眼对颜色的感觉就不同，通常认为，可见光包括7种不同颜色的单色光，具体为：红色760～620nm，橙色620～590nm，黄色590～545nm，绿色545～500nm，青色500～470nm，蓝色470～430nm，紫色430～380nm。可见光中，波长最短的是紫光，其频率最高；波长最长的是红光，其频率最低。从紫光过渡到红光，其波长逐渐增加，当电磁波的波长超出可见光范围时，人眼便不可见。在电磁波谱中，与可见光左右相接的分别为紫外辐射（通常又称紫外线）和红外辐射（通常又称红外线）。通常，将紫外辐射分为近紫外、远紫外和极远紫外（真空紫外辐射）。红外辐射的波长范围为0．76～1000nm，通常分为近红外、中红外和远红外。

1）辐射量

尽管位于可见光波长范围之外的电磁辐射不能为人眼所感知，但作为一种能量的发射，它依然是客观存在的。不同波长的辐射对人体是有影响的，有些辐射，特别是高频辐射，对人体危害极大，甚至可以致命。因此，对电磁辐射，抛开其波长的差异，应当有一些通用的参数来衡量其辐射的强弱，这些用来衡量电磁辐射强弱的参数就是辐射量。

辐射量包括辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度等。其中主要掌握辐射能和辐射通量。

（1）辐射能。辐射能（通常用Qe表示）是以辐射形式发射或传输的电磁波能量。当辐射能被其他物质吸收时，可以转变为其他形式的能量，如热能、电能等。显然，辐射能的量纲就是能量的量纲，其单位为焦耳（J）。

（2）辐射通量。辐射通量（通常用Φe表示）又称为辐射功率，是指以辐射形式发射、传播或接收的功率。其定义为单位时间内流过的辐射能量，即

辐射通量的量纲就是功率的量纲，单位为瓦特（W）。

除了以上两个主要的辐射量之外，还有以下四个辐射量。

辐射出射度：它是用来反映物体辐射能力的物理量。其概念为辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。

辐射强度：其概念为点辐射源在给定方向上发射的单位立体角内的辐射通量。

辐射亮度：其概念为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。

辐射照度：其概念为照射在某面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。与其他几个辐射量不同的是，辐射照度是在辐射接收面上定义的概念，而其他几个辐射量则是在辐射发射面（或点）上定义的概念。

2）光学量

辐射量描述了电磁辐射能量、功率等参数的大小，即电磁辐射在客观上的强弱。但是，由于可见光的波长只占整个电磁波谱中一段很狭窄的范围，如果某一辐射的波段落在这一范围之外，那么，无论辐射功率有多大，人眼也是无法感知的。换言之，对非可见光波段的电磁辐射而言，无论其辐射量的大小如何，其对应的光学量都为零。

因此，为了描述人眼所能够感受到的光辐射的强弱，必须在辐射量的基础上再建立一套参数来描述可见光辐射的强弱，这就是光学量。光学量包括光通量、光出射度、光照度、发光强度、光亮度等。

（1）光通量。光通量（通常用Φv表示）是衡量可见光对人眼的视觉刺激程度的量，光通量的大小就是总的辐射通量中能被人眼感受到的那部分的大小。光通量的量纲与辐射通量一样，是功率的量纲。但因为人的视觉对光辐射的感受还与光的波长（颜色）有关，所以光通量并不采用通用的功率单位瓦特作为单位，而是采用根据标准光源及正常视力而特殊定制的“流明”作为单位，用符号表示则是lm。波长为555nm的单色光（黄绿色）每瓦特的辐射通量对应的光通量等于683lm，如图2．1所示。

由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以，当不同波长光的辐射通量相等时，其光通量并不相等。例如，当波长为555nm的绿光与波长为650nm的红光辐射通量相等时，前者的光通量为后者的10倍。

图2．1　辐射通量与光通量的关系

光通量是光学量的主要单位之一。辐射量与光学量之间主要通过图2．1的关系来联系。

（2）光出射度。光源单位面积发出的光通量称为光源的光出射度，通常用符号Mv表示，即

光出射度的单位为流明每平方米（lm／m2）。

（3）光照度。被照表面单位面积接受的光通量称为光照度，通常用符号Ev表示，即

光照度和光出射度的区别在于，一个是（光源）单位面积发出的光通量，另一个是（被照表面）单位面积接受的光通量，显然，光照度和光出射度应当具有相同的量纲。当用来描述被照表面的光照度时，流明每平方米又称为勒克斯（lx）。

（4）发光强度。点光源在单位立体角内发出的光通量称为发光强度，通常用符号Iv表示，即

发光强度是用来描述点光源发光特性的光学量，引入发光强度是为了描述点光源在某一指定方向上发出光通量能力的大小：在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角元，所得的商即为光源在此方向上的发光强度。

值得注意的是，发光强度是国际单位制中的7个基本量之一，也是基本的光学量。发光强度的单位是坎德拉（cd），又可称“烛光”。根据国际单位制的规定：一个波长为555nm的单色光源（黄绿色），在某方向上的辐射强度为（sr为立体角的单位，即球面弧度，或者简称球面度），则该点光源在该方向上的发光强度为1cd。由于发光强度是国际单位制的基本单位，光通量的单位流明也可以视为从坎德拉中导出，即发光强度为1cd的匀强点光源，在单位立体角内发出的光通量为1lm。

显然，点光源的发光强度与发光方向有关，对于发光强度各向异性的点光源，其总的光通量可用下式求得

而对于各向同性的点光源，如果发光强度为Iv，则总的光通量为

（5）光亮度。光亮度（通常用Lv表示）又简称亮度，是指某发光面元dA在某方向θ上单位面积的发光强度。根据发光强度与光通量之间的关系，也可以指光源单位面积在某一方向上单位立体角内的光通量，即

式中：θ是面元dA的法线方向与考察方向的夹角。

式（2－6）的说明如图2．2所示。

图2．2　面元dA在θ方向上的光亮度示意图

光亮度的单位是坎德拉每平方米（cd／m2），坎德拉每平方米又称为尼特（nit）。

光亮度虽不是基本的光学量，但能体现包括光源和被照表面在内的任意发光表面在人眼看上去的表观明暗程度的重要光学量。表2．1列出了常见发光表面的发光亮度．

表2．1　常见发光表面的发光亮度

以上各光学量的单位除本节介绍的标准单位外，还有非标准的一些单位，如发光强度的单位可用“国际烛光”表示，请见相关参考资料。

2．光学量与辐射量之间的关系

1）光谱光效率函数

从信号与系统分析的理论来看，人眼可以视为一个可见光探测器系统，其输入信号是可见光辐射的辐射量，其输出信号则是光学量。因此，光学量与辐射量的关系取决于人的视觉特性。实验表明，将辐射通量相同而波长不同的可见光分别作用于人眼，人眼感受到的明亮程度即光学量是不同的，这表明，人的视觉对不同波长的光具有不同的灵敏度。人眼对不同波长的光的灵敏度是波长的函数，这一函数称为光谱光效率函数（或称光谱光视效率）。实验还表明，在观察视场明暗程度不同的情况下，光谱光效率函数也会稍有不同。这是由于人眼的明视觉和暗视觉是由不同类型的视觉细胞来实现的。

（1）明视觉。

在光亮（几个cd／m2以上）条件下，人眼的锥体细胞起作用。

明视觉条件下，锥体细胞能分辨物体的细节，很好地区分不同的颜色。

（2）暗视觉。

在暗条件下，亮度在百分之几cd／m2以下时，人眼的杆体细胞起作用。

在暗视觉条件下，杆体细胞能感受微光的刺激，但不能分辨颜色和细节。

2）光学量与辐射量之间的具体关系

图2．3描述了在明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数，其中虚线为暗视觉条件下的光谱光效率函数V′λ，实线为明视觉条件下的光谱光效率函数Vλ。

图2．3　明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数

由图2．3可知，在明视觉条件下，人眼视觉系统最敏感的波长为555nm，这一波长的光是黄绿色的；而在暗视觉条件下，人眼视觉系统最敏感的波长约为507nm。

根据光谱光效率函数，可以得到在某一波长λ附近的小波长间隔dλ内，光通量dΦv（λ）和辐射通量Φe（λ）的关系如式（2－7）、式（2－8）所示：

式（2－7）、式（2－8）中，Km＝683lm／W为明视觉条件下波长λ＝555nm、V（λ）＝1的单色光光谱效率值，K′m＝1755lm／W为暗视觉条件下波长λ＝507nm、V′（λ）＝1的单色光光谱效率值。

而在整个可见光波长范围内的总光通量Φv，可对式（2－7）、式（2－8）积分得到式（2－9）、式（2－10），如下：

在LED芯片以及灯珠的光度学特性描述中，光通量是最重要的概念，它描述了LED光源发出的光中能够被人眼所感受到的那一部分的功率，而光通量的单位流明也是描述LED特性时最常出现的重要参数，LED灯珠性能的优劣首先是以其流明数进行区分的。

此外，发光强度也是描述LED光度学特性的一个非常重要的参数，通常用发光强度的空间分布来描述LED发光的方向特性。

2．1．2　LED发光的方向性

LED灯珠或灯具产品的光学特性中，不仅要考虑其总发光量的大小，在对光品质要求比较高的场合下，LED发出的光沿空间各个方向的强弱分布情况也是要考虑的主要因素。

一般来说，按照LED产品低端的功能性分类而言，LED发光的方向性可用其光束发散角来描述。光源的光束发散角是指光源最边沿的两条有效光线之间的夹角，通常这是指一个立体的发散角在其纵截面上的角度的大小。如果要考虑整个立体角上的光束发散情况，则发散角可指最边沿的一个有效光锥面包含的立体角。

LED产品根据其发散角的大小可分为三类。

（1）高指向型。一般为尖头环氧封装，或者是带金属反射腔封装，且不加散射剂。发光角度为5°～20°或更小，具有很高的指向性，通常用作局部的照明光源。

（2）标准型。它通常作指示灯用，其发光角度为20°～45°。

（3）散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

LED的发光角度是LED应用产品的重要参数。在实际的LED灯珠生产过程中，LED的封装外观形状、支架的碗杯结构、芯片以及本身的结构、封装胶水的折射率、材料品质的一致性、封装工艺（芯片的发光高度位置）均会对发散角产生影响，设计时要综合考虑这些因素。

LED灯具发散角可通过专门的检测仪器进行检测，并可通过照明光学设计软件进行设计。检测与设计时，通常采用半功率角度，即50%发光强度时的角度来描述光源发光的方向性（当然也可使用60%、80%甚至90%的角度，这取决于不同的应用面）。

图2．4所示的为某一实际LED光源的光强方向性检测曲线。

图2．4　LED光源的光强方向性检测曲线

2．2　LED的色度学特性

LED的色度学特性是其光学特性的另一个重要方面。由于LED灯具对颜色要求的多样性，且有些灯具对颜色的要求比较严格，所以，其色度学特性需要用包含波长（包括峰值波长、主波长、质心波长等次级概念）、色温、显色指数等因素来综合描述。要利用好这些相互关联的不同概念来进行LED灯具的色度学设计，首先要对颜色的形成机理及其描述方法有一个系统的认识。下面先介绍颜色的描述和基本颜色空间的概念。

2．2．1　颜色的描述与RGB颜色空间

人眼可见的光是一种波长在380～760nm范围内的电磁波，如果波长超出这一范围，则人眼无法感受到。在这一波长范围内，不同波长的光会引起人眼不同的“颜色”感觉，这就是颜色形成的机理。通常认为可见光包括7种不同颜色的单色光，具体为：红色760～620nm，橙色620～590nm，黄色590～545nm，绿色545～500nm，青色500～470nm，蓝色470～430 nm，紫色430～380nm，这7种单色光带给人眼7种不同的颜色感受。事实上，除了这7种颜色外，人眼还可以感受到在可见光波长范围内由波长连续变化而引起的连续变化的彩色感受。此外，人眼还可以感受到黑色、白色、灰色等无色彩的颜色感受，以及粉红、暗红、土黄等颜色感受。各种颜色形成的机理到底是怎么样的？其规律如何？这就是本小节要分析的问题。

1．混色与三基色原理

综上所述，不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可以来源于不同的光谱组合，人眼只能体会彩色感觉而不能分辨光谱成分。不同光谱成分的光经过混合能给人有相同的彩色感觉，单色光可以由几种颜色的混合光来等效，几种颜色的混合光也可以由另外几种颜色的混合光来等效，这一现象称为混色。例如，彩色电视机中的彩色就是通过混色而实现的一种颜色复现过程，而并没有恢复原景物的辐射光谱成分。

在进行混色实验时，只要选取三种不同颜色的单色光按一定比例混合，就可以得到自然界中绝大多数彩色，具有这种特性的三种单色光称为基色光，对应的三种颜色称为三基色，由此得到重要的三基色原理。

三基色的选取并不是任意的，而是要遵循以下原则。

1）三基色的选取原则

（1）三种颜色必须相互独立，也就是说，其中任意一种基色不能由其他两种颜色混合配出，这样可以配出较多的彩色。

（2）自然界中绝大多数彩色都必须能按照三种基色分解。

（3）混合色的亮度等于各种基色的亮度之和。

根据以上原则，在实际情况中，通常选取红、绿、蓝三种颜色作为三基色，由此形成所谓的RGB颜色空间。

2）相加混色法和相减混色法

把三基色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。混色法有相加混色和相减混色之分。彩色电视系统以及各种类型的计算机显示屏中，使用的是相加混色法。印刷、美术等行业以及计算机的彩色打印机等输出设备使用的是相减混色法。

（1）相加混色法。

相加混色一般采用色光混色，色光混色是将三束圆形截面的红、绿、蓝单色光同时投影到屏幕上，呈现一幅品字形三基色圆图，如图2．5所示。

由图2．5可知：

红光＋绿光＝黄光

红光＋蓝光＝紫光（品红光）

绿光＋蓝光＝青光

红光＋绿光＋蓝光＝白光

图2．5　相加混色法

以上各光均是按照基色光等量相加的结果。若改变三基色之间的混合比例，经相加可获得各种颜色的彩色光。

在三基色的相加混色实验中，1853年，格拉斯曼（H.Grasman）教授总结出如下的相加混色定律，可以作为混色的重要指导思想。

·补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。

·中间律：两个非补色相混合，便产生中间色。其色调决定于两个颜色的相对数量，其饱和度取决于两者在颜色顺序上的远近。

·代替律：相似色混合仍相似，不管它们的光谱成分是否相同。

·亮度相加律：混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

以上所述的色调和饱和度的概念在2．2．2节HIS颜色空间中会介绍。

实现相加混色的方法还有空间混色法、时间混色法等。

（2）相减混色法。

相减混色法主要用于描述颜料的混色，是指不能发光，却能将照射来的光吸收一部分，将剩下的光反射出去的色料的混合。色料不同，吸收色光的波长与亮度的能力也不同。色料混合之后形成的新色料，一般都能增强吸光的能力，削弱反光的亮度。在投照光不变的条件下，新色料的反光能力低于混合前色料的反光能力的平均数，因此，新色料的明度降低了，纯度也降低了，所以又称为减光混合。

相减混色法中的三原色为黄、青和品红（即某种紫色）。这三种原色分别对相加混色中的三基色蓝、红和绿具有极高的吸收率。因此，三原色按不同的比例混合也能得到各种不同的颜色。

2．RGB颜色空间

根据以上相加混色法的思想，将R（红）、G（绿）、B（蓝）三种基色的光亮度进行一定的归一化后，作为直角坐标系三维空间的三个坐标轴，可以构成一个颜色空间，颜色空间中不同的坐标点表示不同的颜色。这样表示颜色的方法即为RGB颜色空间，由于RGB颜色空间是计算机等数字图像处理仪器设备所采用的表示图像颜色的基本方法，所以RGB颜色空间通常也称基础颜色空间。

图2．6　RGB颜色空间示意图

基于归一化的思路，一般假设某分量达到最强时的坐标值为1，最弱时的坐标值为0。这样，任意一种颜色在颜色空间中的位置被限制在边长为1的正方体中，其颜色由其坐标值决定，如图2．6所示。

图2．6中，三个坐标分量的数值依次表示该点的R、G、B坐标，图2．6中列出了红（1，0，0）、绿（0，1，0）、蓝（0，0，1）、黄（1，1，0）、青（0，1，1）、紫（1，0，1）、白（1，1，1）和黑（0，0，0）等8种特殊的颜色在RGB颜色空间中的位置及对应的色度坐标值。

在RGB颜色空间中，R、G、B三条坐标轴上的点的颜色分别为纯的红色、绿色、蓝色，从0到1的坐标值大小表示不同的亮度，而连接正方体黑色和白色的对角线上的点是亮度不同的灰色，灰色和黑白色称为非彩色。正方体的其余三条对角线两端的颜色各自构成一对互补色（红—青、绿—紫、蓝—黄），即上文所述的按一定比例混合，可以得到白色或灰色的两种颜色。进一步分析可知，凡是通过颜色空间正方体中心的直线上位于中心两端坐标点对应的颜色都可构成互补色。从理论上说，RGB颜色空间可以表示出任意的颜色。

3．计算机中图像颜色的表示

RGB颜色空间不仅具有理论上的意义，在色度学的实际应用中，也扮演了重要的角色。其最重要的应用在于：计算机中屏幕上图像的显示、图像文件的存储，以及各种数字图像处理算法都是以RGB颜色空间为基础的。

人们看到的计算机屏幕上的图像实际上是被显示在屏幕上不同位置的不同位图（数字图像的一种最基本的格式）。而一幅位图是由一个个像素组成的，颜色是像素的唯一特征。与RGB颜色空间类似，在计算机中每个像素的颜色由R（红）、G（绿）和B（蓝）三个分量的叠加来表示，各个分量的取值范围并不是从0到1，而是从0到255，这是因为计算机中存储单元的大小通常以字节（Byte）为单位，一个字节的大小用8位二进制数来表示，换算成十进制则是256，所以用一个字节即256个梯级来表示一个分量的颜色差异，而RGB三个分量则可表示为256×256×256＝16777216种颜色，这一数目已远远超出人眼所能分辨的颜色数目，因此这种位图称为真彩色位图。在某些情形下，图像中所包含的颜色数目远小于16777216，此时若仍采用真彩色位图来描述，则是对计算机资源的浪费，因此，计算机中的位图格式除了真彩色位图外，还有256色位图和16色位图等，这些位图称为索引位图。索引位图使用颜色表的方式来描述其颜色信息，其详细情况在此不多叙述。

计算机磁盘中的真彩色位图文件包括的内容首先是一个称为位图文件头的结构体，其次是一个称为位图信息头的结构体，在这两个结构之后是位图中各像素点的颜色数据，每个像素点的颜色数据用相邻的3个字节来存储，依次表示该像素点颜色的B（蓝）、G（绿）、R（红）分量值。各像素点的颜色数据是按从下到上，从左到右的顺序存储的，即先存储左下角像素的数据，从左到右存储完一行像素后，再存储第二行各像素的数据，最后存储右上角像素的数据。这也是RGB颜色空间的一个重要应用。

除此之外，现有的图像采集设备最初采集到的颜色信息均是用R（红）、G（绿）和B（蓝）三个通道的灰度值来表示的，称为彩色的RGB格式，颜色显示设备（如监视器）最终也是使用RGB格式来表示彩色的。图像处理中使用的其他所有的颜色空间都是从RGB颜色空间转换而来的，其处理结果如果需要显示出来，也需转换回RGB颜色空间。因此，在彩色数字图像处理中，表示颜色最基本、最常用的方法就是RGB颜色空间。其基本原理就是采用红（R）、绿（G）、蓝（B）三个颜色分量来表示所有的颜色。

2．2．2　HIS颜色空间

RGB颜色空间的颜色数据可以表达各种不同的颜色，但是从这些数据上难以让人产生足够的感官体验。因为人在观察颜色时是从以下三方面进行直接感官感受的。

亮度：表征颜色的明亮程度。一般来说，彩色光能量越大，则显得越亮。

色调：表征不同颜色特征的量，反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。例如，太阳光的不同波长光谱色会使人在视觉上呈现不同的色感。

饱和度：颜色接近光谱色的程度。一种颜色越接近光谱色，其饱和度就越好。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越纯。

为了把颜色的描述和人们对颜色的认知或感觉对应起来，人们设计了许多种类型的认知颜色空间，HIS颜色空间就是其中的一种，由于其适合用解析的方式来描述颜色，所以在彩色数字图像处理中得到广泛的应用。

在观察颜色时，如果两种颜色在以下这三个方面中的某一方面存在差异，人们就能够将这两种颜色辨别出来，这三个方面是：①是什么颜色？②该颜色的亮度如何？③该颜色的纯度如何？HIS颜色系统正是采用这三者作为其三个色度分量的，分别称为色调（H）、亮度（I）及饱和度（S）。因此，HIS颜色系统反映了人观察彩色的方式。

在HIS颜色系统中，I表示亮度（或强度）。为简单起见，可采用R、G、B三个灰度的算术平均值来表示亮度I，也可使用对不同分量有不同权值的彩色机制。亮度I的值确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。可以通过平均RGB分量将彩色图像转化为灰度图像，这样就丢掉了彩色信息。

包含彩色信息的两个参数是色调（H）和饱和度（S），图2．7所示中的色环描述了这两个参数。色调由角度表示，彩色的色调反映了该彩色最接近什么样的光谱波长（即彩虹中的哪种颜色）。不失一般性，可假定0°的彩色为红色，120°的彩色为绿色，240°的彩色为蓝色。色度从0°变到240°覆盖了所有可见光谱的彩色。在240°到300°之间是人眼可见的非光谱色（紫色）。

饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。环的外围圆周是纯的或饱和的颜色，其饱和度值为1。中心是中性（灰色）影调，即饱和度值为0。饱和度的概念可描述为：假设有一桶纯红色的颜料，它对应的色度值为0，饱和度值为1。混入白色染料后，红色不再强烈，减少了它的饱和度，但没有使它变暗。粉红色对应饱和度值约为0．5。随着更多的白色染料加入混合物中，红色变得越来越淡，饱和度降低，最后接近于0（白色）。相反，如果将黑色染料与纯红色混合，则它的亮度将降低（变黑），而它的色调（红色）和饱和度值（1）将保持不变。

图2．7　色环

图2．8　HIS系统的彩色空间

总之，三个彩色坐标定义一个柱形彩色空间（见图2．8）。灰度阴影沿轴线以底部的黑变到顶部的白。具有最高亮度且饱和度最大的颜色位于圆柱顶面的圆周上。

在图像处理的一些场合，需要在RGB系统和HIS颜色系统之间进行相互变换。

HIS系统与RGB系统之间的变换如下：

图像处理的结果需要将HIS系统中的处理结果转换回RGB系统，根据要转换的颜色点所位于色环中的扇区不同，其转换公式相应地也有所不同，具体如下：

当0°≤H≤120°时，

2．2．3　CIE标准色度学系统

以上从色度学的角度对颜色空间进行了分析，从理论和应用的角度来看均具有重要的意义。但是，站在光度学和色度学相结合的角度去考虑问题，例如，对“RGB颜色空间中的三个颜色分量到底是由波长为多少的色光构成”这一问题，以上偏重逻辑分析的单纯色度学理论是无法得到令人满意的答案。

因此，为了从逻辑和物理相结合的角度考虑光度学和色度学的问题，有必要了解CIE所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法。

物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应，要将观察者的颜色感觉数字化，国际照明委员会（CIE）规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。

CIE标准色度系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的，用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。

1．颜色匹配

建立CIE标准色度系统的一个重要原因是，为了解决当时在颜色混合和颜色匹配中出现的一些问题。

把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程称为颜色匹配。图2．9所示是颜色匹配的一种实验装置图。

图2．9　颜色匹配实验示意图

在以上的颜色匹配实验中，黑挡板下方是被匹配的颜色，即目标颜色；而黑挡板以上则是RGB颜色空间中的三基色，即红、绿和蓝。在实验中，CIE首先规定了这三种基色光的波长，分别为：700nm（R）、546．1nm（G）、435．8nm（B）；然后用这三种基色光进行不同配比的颜色匹配实验，试图配出在观察者看来和黑挡板下方的目标颜色一致的颜色。

2．CIE1931－RGB系统

CIE标准色度系统的第一个版本叫CIE1931－RGB系统，是CIE于1931年发布的。这一色度系统类似于图2．9所示的实验装置，是以标准色度观察者在1°～4°的视场下的基本颜色视觉实验数据为基础而产生的。

在CIE1931－RGB系统的实验中，为了确切地描述颜色匹配中三种基色的相对比例，首先必须定出基色单位这样一个概念，即定出多大亮度的基色光为该基色光的“一个单位”。为此，需要提出“等能白光”这样一个概念，即假想在整个可见光谱范围内光谱辐射能相等的光源的光色，称为等能白光，等能白光的辐射通量谱函数为整个可见光范围内的一条平行于横轴（波长轴）的直线。如果波长分别为700nm（R）、546．1nm（G）、435．8nm（B）的红、绿、蓝光可以作为三基色而混合匹配出任意颜色，则此三基色配出等能白光时，它们的辐射通量是相等的。由于人眼视觉效率函数依波长的变化而变化，三基色的光通量之间的关系如表2．2所示（这里，取1lm红光的光通量作为一个单位）。

表2．2　三基色单位亮度的光通量关系表

采用以上三基色单位量作为标准，可通过实验测定混合配比出任意颜色所需要的三基色的量。

颜色匹配实验中，当与待测色达到匹配时所需要的三基色的量，称为三刺激值，记为R、G、B。一种颜色与一组R、G、B值相对应，R、G、B值相同的颜色，颜色感觉必定相同。三基色各自在R＋G＋B总量中的相对比例叫色度坐标，用小写的符号r、g、b来表示，即

CIE1931－RGB系统实验证明：几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成。如果用上述规定单位量的三原色，那么，在可见光380～780nm范围内每隔波长间隔（如10nm）对等能白光的各个波长进行一系列的颜色匹配实验，可得每一光谱色的三刺激值。实验得出的颜色匹配曲线如图2．10所示，图2．11中的CIE1931－RGB配光曲线也称为CIE1931－RGB标准色度观察者。

图2．10　CIE1931－RGB色度系统颜色匹配光谱三刺激值曲线

图2．11　CIE1931－RGB系统色度图

由图2．11中可以看出，任一波长的光，都可以由三基色的光按图中的比例匹配而成。图2．11中曲线表明，如果要配出500nm附近某一段波长的光，则需要红色基色的光量为负值，即在实验中，要把这一数量的红光照射于被匹配光的一侧（图2．9中黑挡板下方）。这对配光的物理意义及数学计算而言，都是个不太完善的结果。

根据配光的三刺激值色度坐标的公式，r、g、b三个色度坐标中只有两个是独立的，通常选取r、g作为横坐标和纵坐标，并绘制出如图2．11所示的CIE1931－RGB系统色度图。

3．CIE1931－XYZ标准色度系统以及其他CIE色度系统

由于CIE1931－RGB系统存在一些缺点，即在某些场合下，例如，被匹配颜色的饱和度很高时，三色系数不能同时取正；由于三原色都对混合色的亮度有贡献，所以当用颜色反方程计算时就很不方便。

因此，希望有一种系统能满足以下要求。

·三刺激值均为正。

·某一原色的刺激值，正好代表混合色的亮度，而另外两种原色对混合色的亮度没有贡献；

·当三刺激值相等时，混合光仍代表标准（等能）白光。

这样的系统当以实际的光谱色为三原色时，无法从物理上实现，CIE提出了以假想色作为逻辑上的三基色的XYZ表色系统，即CIE1931－XYZ标准色度系统。

1）CIE1931－XYZ标准色度系统

CIE1931－XYZ标准色度系统中的三基色X、Y、Z实质上是CIE1931－RGB色度学系统中三基色R、G、B的线性组合。两者之间的转换关系如下：

根据式（2－18）、式（2－19）和式（2－20），可得到以下用于描述色品图的三刺激值：

由此可得如图2．12所示的CIE1931－XYZ标准色度系统颜色匹配光谱三刺激值曲线，又称为CIE1931－XYZ标准色度观察者。

图2．12　CIE1931－XYZ标准色度系统颜色匹配光谱三刺激值曲线

由图2．12中可知，配光所用的三基色色品坐标x、y、z值没有出现负值。由图2．12色品坐标的实验数据可以画出如图2．13所示的CIE1931－XYZ标准色度系统色品图。

图2．13　CIE1931－XYZ标准色度系统色品图

由图2．13中可知，颜色刺激的值全为正值。

CIE1931－XYZ标准色度系统是国际上色度计算、颜色测量和颜色表征的统一标准，是所有测色仪器的设计与制造依据。

4．CIE其他色度系统

CIE1931－XYZ标准色度系统的实验数据是在视场为2°时测得的。进一步的实验结果分析表明，单纯原色的混合物在整个视场低于10°时出现不均匀现象，工业上配色总是在视场比2°更大的范围内。为了适合在视物为10°时进行色度测量，1964年CIE规定了一组CIE 1964补充标准观察者光谱三刺激值和相应的色度图，这一系统称为CIE　l964补充标准色度系统。研究表明，观察视场增加到10°时能提高辨色精度，但视场进一步增加时，不能再提高辨色精度。

另一方面，研究结果表明：对于不同的颜色，人眼对颜色辨别能力有很大的差别（相差达十几倍），而在CIE1931－XYZ色度系统中，用不同坐标点之间的距离不能准确表示人眼对色差的感觉，两者没有较好的一致性。因此，CIE采用均匀颜色空间进行了研究和实验。均匀颜色空间是一种可以表示颜色的色调、明度、饱和度的坐标空间，在此空间中不同坐标点之间的距离可以表示颜色之间的差别，而且在整个空间和不同的方向上有较好的一致性和均匀性，上面所述的HIS颜色空间就体现了均匀颜色空间的基本思想。

经过充分的实验研究和理论分析之后，CIE先后建立了CIE1960均匀颜色空间（CIE1960UCS）、CIE1964均匀颜色空间（CIE1964LUV）、CIE1976L＊u＊v＊均匀颜色空间（CIELUV）和CIE1976L＊a＊b＊均匀颜色空间（CIELAB），而且CIE对颜色匹配实验中的测试条件也做了一些标准性的规定。

2．2．4　LED色度学特性的重要概念及其关系

在了解了颜色描述的基本概念之后，下面对描述LED色度学特性的几个重要概念及其关系进行介绍。

1．光源的波长与颜色

发光的颜色是色光LED的一个重要参数。对单色光而言，颜色的差异是由波长的不同而引起的：可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同。

但实际上，任何光源包括LED，发出的光都不可能是绝对严格的单一波长的单色光，而是发出以某一波长为中心的一定波长范围的光，某一光源发光的相对强弱和波长的函数关系称为该光源的光谱特性，色光光源的光谱特性曲线通常类似于高斯分布（正态分布）的曲线。光源光谱特性曲线如图2．14所示。

图2．14　光源光谱特性曲线（黄绿色光）

由图2．14可以引出几个常用的光学特性参数。

1）峰值波长

图2．14中曲线最高点对应的波长称为峰值波长，即无论由什么材料制成的LED，都有一个相对光强最强处（光输出最大），与之对应有一个波长，用λp表示。峰值波长主要用来描述单色光的颜色特性。

2）谱线半宽度

图2．14中的Δλ称为谱线的半宽度，是指相对光强为峰值波长一半时对应的曲线上两个点的波长间隔。半宽度反映谱线宽窄，是衡量光源单色性好坏的参数，各种单色光LED发光的谱线半宽度小于40nm时，单色性较好。

3）主波长

有的光源发出的光不仅有一个峰值波长，甚至有多个高低不同的峰值。为了描述此光源的色度特性，需要引入主波长的概念。主波长是指人眼所能观察到的由此光源发出的光的颜色倾向所对应的单色光的波长。

主波长通常不是用来描述单色光，而是描述多个峰值的色光混合起来所呈现的颜色的。例如，GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，LED的主波长会随着长期工作，结温升高而偏向长波方向。

主波长的数值可用如下方法来确定：用某一光谱色，按一定比例与一个确定的标准照明体（如CIE标准照明体A、B、C或D65）相混合而匹配出样品色，该光谱色的波长就是样品色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。

如果光源的单色性很好，则峰值波长λp的数值基本上等于主波长。对于蓝光LED芯片，峰值波长要比主波长小一点（5nm左右）。

4）色品坐标

如前CIE1931－XYZ系统所述，某种颜色在CIE1931－XYZ色度图中的色品坐标（或称色度坐标）是描述该颜色的色度特性的重要参量，颜色色品坐标的不同对应着颜色的差异。在实际LED封装中的分光等应用场合需要用到色品坐标的概念，此时通常用色度图中X和Y坐标的值来表示。对于白光LED的分光，色品坐标的X、Y值均为接近0．33的一个数值，表明白光中X、Y、Z三个颜色分量的比例接近，根据X、Y具体数值的不同，体现出一定的颜色偏向性。

色品坐标还可以用于说明主波长的概念：CIE1931－XYZ色度图边沿的舌形曲线代表饱和度为1的纯光谱色，假若已知某光的色品坐标为A，则从色品坐标图中等能白（0．33，0．33）处引一线段指向A，再将该线段延长，则延长线和色度图边沿的交点对应的波长则为该色光的主波长。

2．光源的色温

色光光源的色度特性用波长来表示，但在LED或其他光源的制造和应用中，白光光源也是非常重要的一种类型。理想的白光是各种波长色光的“均匀”或“等能”的组合，因而无法用波长表示白光的颜色。

实际的白光总带有一点微弱的颜色偏向性，如偏红或偏蓝。由于白光的这种颜色偏向性和单色光的颜色明确性比较微弱，所以实际的白光其颜色偏向性不用感觉上偏向的那种颜色的波长来表示，而是借助于黑体辐射峰值波长随温度变化的特性——“色温”这个参数来表示的。黑体辐射随温度变化的特性可用图2．15表示。

如果光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的光颜色相同，则此时黑体的温度称为该光源的色温。

色温是用来描述白光的颜色偏向性的，单色光的颜色不用色温来描述。

色温计算采用绝对温标，以K（开尔文）为单位，黑体辐射的0K＝－273℃作为计算的起点。将黑体加热，随着能量的提高，便会进入可见光的领域。例如，在2800K时，发出的色光与灯泡的相同，这时便说灯泡的色温是2800K。

光源色温不同，光色也不同。

色温小于3300K时，光色表现为温暖（带红的白色）、稳重的气氛效果。

色温在3300～5000K时光色表现为中间（白）、爽快的气氛效果。

图2．15　黑体辐射的温度特性

色温大于5000K时，光色表现为清凉型（带蓝的白色）、冷的气氛效果。

不同色温对应的颜色可用图2．16表示。由图2．16可知，不同的色温对应不同的颜色。必须强调的是，色温是用来描述白光颜色偏向是暖色还是冷色的一个概念，对应于正白的色温表示该颜色恰好位于暖色和冷色的平衡点，即该颜色不偏暖也不偏冷，这个平衡点的色温在5000K左右。与该色温对应的温度下，黑体辐射的峰值波长会取555nm左右的一个数值，该波长对应的单色光颜色为黄绿色。但绝对不能说此时和5000K左右色温对应的颜色为黄绿色，因为色温不是描述单色光色度的参量，而是描述白光色度特性的参量，它体现了白光中暖色和冷色的平衡程度。

图2．16　色温示意图

3．光源的显色性

显色性是用于描述白光光源综合色度特性的一个参数。原则上，人造光源应与自然光源相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色。

显色性通常用显色指数（Ra）来描述，它表示物体在某一光源照明下的颜色与基准光（太阳光）照明时颜色的偏离。显色性能较全面地反映光源的颜色特性，它描述了事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色加上其他7种试样，在标准光源和被测试光源下进行比较，色差越小，表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100时，表示事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

代表性试样的选择为1～8号是中彩度色，如深红、深黄、深绿、深蓝等（明度为6）；9～12号是高彩度色，如红色、黄色、绿色、蓝色；13号是白种人女性肤色；14号是叶绿色；15号是中国女性肤色（日本女性肤色）。

光源的显色性是通过与同色温的参考光源或基准光源（白炽灯或日光）下物体外观颜色的比较而确定的。光源所发射的光谱决定了光源的光色，但同样颜色的光可由许多、少数甚至仅仅两个单色光波等不同的方式组合而成，对各种颜色的显色性亦可能大不相同。光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或没有物体在基准光源下所反射的某种波长成分时，会使物体的颜色产生明显的色差（Color　Shift）。色差程度愈大，光源对该种波长的光的显色性也愈差。

实际应用中对光源显色指数的要求如表2．3所示。

表2．3　不同场合下对光源显色指数的要求

各种光源的显色指数如表2．4所示。

表2．4　各种光源的显色指数

2．3　LED的电学特性参数

LED作为一种PN结发光的电光源，其电学特性参数是非常重要的。LED的电学特性参数主要有伏安特性曲线，以及对该曲线进行分析而提取出来的正向工作电流、正向压降、反向电流、反向压降、功率等。此外，作为一个电光源，发光效率也是其重要的联系电、光特性的参数。

1．伏安特性曲线

器件的伏安特性是指流过器件的电流和器件两端施加的电压之间的函数关系。伏安特性是一切电阻型电子器件的主要特性，LED属于这一范畴，因此，伏安特性是LED的主要电学特性。LED的伏安特性曲线如图2．17所示。

图2．17　LED的伏安特性曲线

伏安特性也是表征LED芯片PN结制备性能的主要参数。LED的伏安特性具有非线性、整流性等特点，即外加正偏压表示为低接触电阻，反之为高接触电阻。

由图2．17可知，伏安特性曲线分为四段。

（1）正向死区：这时正向电压太低，LED还没有开启工作的状态（见图2．17中Oa段），a点相对应的Va为开启电压。当V＜Va时，外加电场尚克服不了因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压相对于不同的LED，其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1．2 V，GaP为1．8V，GaN为2．5V。

（2）正向工作区：这是LED正常工作的发光状态，电流IF与外加电压呈指数关系。

实际工作时，一般使其处于一种合适的状态。当然，如果正向电压很高，或者电流很大，LED也能发光，但是，若处于超负荷高发热工作状态，则寿命将大大缩短。

（3）反向死区：当V＜0时，PN结加反偏压，这是一种加上较小的反向电压的情形。LED反向电流很小，处于反向截止状态。

（4）反向击穿区：当V＜－VZ时，VZ称为反向击穿电压，这是反向加上一个很高的电压的情形，反向电压VR对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使VR＜－VZ时，则出现IR突然增加而被击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，所以各种LED的反向击穿电压VR也不同。反向击穿会对LED造成损坏。

2．几个常用的重要参数

LED的伏安特性曲线可以较为全面地分析LED的电学特性，在LED的芯片制造、封装以及不同应用场合的器件选型和设计时，需要强调以下几个参数。

1）正向工作电流IF

正向工作电流包括以下几种情形。

（1）额定工作电流IF（mA）：指在理想的线性工作区域，LED在此电流下可安全地维持正常的工作状态。一般情况下，小功率LED的额定工作电流为20mA左右。

（2）最小工作电流IFL（mA）：指当小于此电流时，由于超出理想的线性工作区域，所以无法保证LED的正常工作状态（尤其在一致性方面）。

（3）最大容许正向电流IFH（mA）：指LED最大可承受的正向工作电流。在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧增，LED的使用寿命将大大缩短。

（4）最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：指LED最大可承受的一定占空比的正向脉冲电流的高度。

2）正向压降VF

正向电压VF是指额定正向电流下器件两端的电压降，这个参数既与材料的禁带宽度有关，又标志了PN结的体电阻与欧姆接触电阻的高低。VF的大小一定程度上反映了电极制作的优劣。相对于20mA的正向电流，红黄光类LED的VF值约为2V，而GaN基蓝绿光类LED器件的VF值通常大于3V。

3）反向漏电流IR

反向漏电流IR是指给定的反向电压下流过器件的反向电流值，反向漏电流是器件质量好坏的敏感性指标。通常，在5V的反向电压下，反向漏电流应不大于10mA，IR过大，表明结特性较差。

4）反向电压VR

反向电压VR是指在指定反向电流下所对应的反向电压。反向击穿电压是指当反向电压大于某一值时，反向漏电流会急剧增大。对具体器件而言，在较为严格的情况下，要求反向漏电流不大于10mA。

5）最大容许反向电压Vz

LED所能承受的最大反向电压，即反向击穿电压超出此电压使用时，将导致LED反向击穿。

6）耗散功率PD

LED的耗散功率PD＝IFVF，耗散功率就是LED消耗的电功率。根据耗散功率的大小，通常把LED划分为小功率和大功率，一般以0．5～1W为分界线。

7）发光效率ηe

发光效率简称光效。光源的发光效率定义为其光通量与所消耗功率的比值，即

发光效率的单位为lm／W（流明每瓦）。

发光效率是一个反映LED综合光电性能的参数，是将外部量子效率用视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）来表示的数值。外部量子效率是指发射到LED芯片和封装外的光子个数相对于流经LED的电子个数（电流）所占的比例。组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED的外部量子效率，由相对于内部量子效率（在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数（电流）的比例）、芯片的光取出效率（将所发的光取出到LED芯片之外的比例）、荧光体的转换效率（芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例）以及封装的光取出效率（由LED和荧光体发射到封装外的光线比例）的乘积决定。

在发光层产生的光子，其中的一部分或在LED芯片内被吸收，或在LED芯片内不停地反射，而出不了LED芯片。因此，外部量子效率比内部量子效率要低。发光效率为100 lm／W的白色LED，其输入电力只有32%作为光能输出到了外部，剩余的68%转变为热能。

通常来说，白炽灯与荧光灯的发光效率分别为15lm／W与60lm／W，灯泡的功率越大，光通量越大。而一个性能较高的商业化LED器件产品，其发光效率可达数十流明每瓦，实验室测试水平可达100lm／W以上。为了使LED器件更好地用于照明，必须进一步提高LED器件的发光效率，预计10年后，LED的发光效率可达200lm／W。届时，人类将会迎来一个固态光源全面替代传统光源的新时代。

2．4　LED热学及其他特性参数

除了以上描述LED工作瞬时状态的光学和电学特性参数外，在应用的角度，LED的使用寿命与工作状态的稳定性和可靠性等参数，以及与寿命和稳定性密切相关的热学特性，都是非常重要的特性参数。

1．LED的使用寿命与可靠性

与传统光源相比，LED的一个重要优势就是其使用寿命长。一般而言，LED的使用寿命为50000h左右，但有一些生产商宣称LED的使用寿命为100000h左右。LED之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断的问题。LED不会直接停止运作，但它会随着时间的流逝而逐渐退化。理论预测及实验数据表明，高质量的LED在经过50000h的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上。假定LED已达到其额定的使用寿命，实际上它还可能发光，只是灯光非常微弱罢了。通常，LED的寿命结束不是指其不能发光的时间，而是指其光通量（或额定电流）下降到最初使用时一半的时间。

可靠性是在LED的工作（发光）期间，其各个主要特性参数保持在额定范围内的几率，这也是衡量LED产品优劣的一个重要指标。

2．LED的热学特性

影响LED寿命长短的最重要因素是散热的好坏，要想延长LED的使用寿命，就必须降低LED芯片的温度。对单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激发效率下降。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升。

1）结温及其对LED性能的影响

结温是指LED中PN结的温度，这是影响LED光学特性、电学特性以及寿命的最重要和最根本的参数。

元件温度每上升2℃，可靠性将下降l0%。为了保证器件的寿命，一般要求PN结的结温在110℃以下，而且随着PN结结温的升高，白光LED器件的发光波长将发生红移。在110℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减弱，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应减少1%左右。当器件从环境温度上升到150℃时，亮度下降了35%；当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此，解决散热问题已成为LED应用，尤其是功率型LED应用的首要问题。

2）产生LED结温的原因

在LED工作时，促使结温不同程度上升的情况有以下几种。

（1）元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互累加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过PN结时，也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，导致芯片温度或结温的升高。

（2）由于PN结不可能极端完美，元件的注入效率不会达到100%。也就是说，在LED工作时，除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区也会向P区注入电荷（电子）。一般情况下，后一类的电荷注入不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部转变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会转变成热。

（3）实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED多数输入电能转换成光辐射能。然而，LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子（＞90%）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式转变成热，促使结温升高。

（4）LED元件的散热能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降；反之，散热能力弱时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此，PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧黏结层、PCB与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300～600℃／W之间（热阻是指稳态时在晶片表面每耗散1W的功率，晶片结点与参考点之间的温差，由晶片和封装结构的特性决定），对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻为15～30℃／W。巨大的热阻差异表明，普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

3）降低LED结温的途径

LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分转变成了辐射光能，其余部分最终转变成了热，从而提高了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能；另一种重要的途径是设法提高元件的散热能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。降低结温所采取的主要的途径如下。

（1）减少LED本身的热阻。

（2）良好的二次散热机构。

（3）减少LED与二次散热机构安装界面之间的热阻。

（4）控制额定输入功率。

（5）降低环境温度。

3．LED的响应时间

在LED显示屏等应用场合，要考虑LED对控制信号变化的响应速度快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量称为响应时间，即指器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般都很短，如GaAs1－xPx仅为几个纳秒，Gap约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）为10－3～10－5　s，CRT、PDP、LED都达到10－6～10－7　s（μs级）。

（1）从使用角度来看，响应时间就是LED点亮与熄灭所延迟的时间。

（2）响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

其中，LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源后使发光亮度达到正常值的10%，直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。

LED熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

不同材料制得的LED，其响应时间各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs的响应时间均小于10－9　s，GaP的响应时间为10－7　s。因此，它们可用于10～100MHz高频系统。