应用指南发光二极管LED 的光生伏特效应目录
1. 前言 .................................................................. 2
2. LED 的光伏效应 .............................................. 2
3. 电动势的测量 .................................................. 44. 最后 .................................................................. 6

本应用指南中记载的型号 NCSW170F、NCSA170F、NJSW170F、NCSW193F、
NC5W193F、NFSW172C、NFSA172C 是日亚产品的型号名，和有（或可能有）商标权的其他公司产品不同（不类似）、也没有任何关联。

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May 10, 2022

应用指南1. 前言半导体在光照下产生电动势的现象被称为“光生伏特效应”（以下简称为“光伏效应”）。光电二极管及太阳能发电等也利用了此光伏效应。
LED 属于半导体所以也会发生光伏效应，而 LED 因光伏效应产生的预想外的电动势可能导致电路发生误动作并使电路上的其他元件失效。对此在本应用指南中将对 LED 的光伏效应进行说明。

2. LED 的光伏效应
2.1 LED 发光和光伏效应的原理
以常见的 pn 结为例，对 LED 发光和光伏效应的原理进行说明（图 1 和 2）。

发光二极管LED 发光的原理

p区

禁带EGn区耗尽层电子的移动

结合

光空穴移动

图 1. LED 发光的原理。 LED 通电后，载流子（电子和空穴）会从电源流向芯片的 pn 结。电子通过耗尽层※1 移在对动到 p 区，空穴通过耗尽层移动到 n 区，移动中电子和空穴结合，而在结合时失去的能量会作为光发出。另外发出的光的波长（发光色）由禁带的宽度决定。

光伏效应的原理
p区

耗尽层n区
电子的移动结合

光光激发

空穴移动扩散图 2. 光伏效应的原理
即使在没有驱动 LED 时，如果 LED 受到来自外部的光照※2，在光能的激发下也会产生载流子（电子和空穴）。在耗尽层产生的电子和空穴不在耗尽层结合，而是在耗尽层内移动（扩散），由此发生电位差（电动势）。如果这时 LED 使用在电路中，此电位差（电动势）引发的电流可能导致电路发生误动作并使电路上的其他元件失效。

※1 耗尽层是指 p、n 区间几乎无载流子存在的区域。
※2 只在被照光的能量超过 pn 结的禁带宽度时才会发生光伏效应。

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应用指南2.2 LED 的光伏效应常见的 LED 和整流二极管在构造上的差异如图 3 和 4 所示。整流二极管（图 3）因为芯片被黑色树脂壳覆盖，外部的光不能射入到封装内部，所以不会发生光伏效应。而 LED 因为需要让光（从芯片发出的光及被荧光体激发出的光）发出，所以在构造上容易让外部的光透入。如图 4 所示，
当外部的光照射在 LED 的发光面上时，光会通过封装树脂中的荧光体间的间隙到达芯片，因此LED 容易发生光伏效应。
光光遮光外壳

含荧光体的封装树脂

芯片芯片

图 3. 常见二极管的构造（例）图 4. LED 的构造（例）发光二极管

2.3 容易发生光伏效应的条件
照射 LED 的光越亮也就是说照度越高，LED 产生的电动势越大。一般生活环境中的照度如图 5 所示。从图中可以看出因为太阳光直射时的照度非常高，所以需要注意在户外使用的 LED 灯具（交通信号灯、户外显示屏、车灯等）容易发生光伏效应。
橱窗办公室
夜间道路

10lx

户外(阴天)

客厅

100lx

1,000lx户外(晴天)

10,000lx

100,000lx

图 5. 生活环境中的照度（参考）另外即使光源的亮度相同，如果照射距离（光源和被照物间的距离）不同照度也会发生变化。作为参考，汽车前照灯在不同照射距离下的照度测量结果如图 6 所示。从图中可以看出，和被照物间的距离越短，距离导致的照度变化越大。因此需要注意无意识的近距离照射可能加大照度。
关于对照度和光伏效应关系的评价结果将在下一章中进行介绍。

图 6. 汽车前照灯的照度（参考用）

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应用指南3. 电动势的测量对 LED 在发光面受到外部光照时发生的电动势（电位差）大小进行了测量。

3.1 测量条件
评价样品：从日亚产品中选出的构造不同的 LED。如表 1 所示。
表 1. 评价样品
1234567型号

NCSW170F

NCSA170F

NJSW170F

NCSW193F

NC5W193F

NFSW172C

NFSA172C

发光色6,000K 相当

橙色正向电压※33.25

3.25

样品编号发光二极管外观

6,000K 相当 6,000K 相当 6,000K 相当 6,000K 相当
3.25

3.25

16.25

橙色

3.03.0照射光源：照射光源的 LED 使用了常见的白色 LED。LED 的光谱（代表例）如图 7 所示。

图 7. 照射光源的发光光谱照度评价范围：500～100,000 lx
评价方法：一边调节照射光源的亮度，一边使用示波器测量各照度下发生的电动势（LED 正负端子间的电压值）。
测量时的简易电路图和测量环境如图 8、9 所示。
照射光源

暗箱（照射光源以外照射光源（用于遮挡照射の光を遮断）
光源外的光）

评价样品

LED 驱动用电源（電流値によって明るさを調整）(通过电流值调节照射光源的亮度)

评价样品

KA

V示波器

图 9. 测量环境图 8. 测量用电路※3 是各产品在额定电流值下的正向电压。

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May 10, 2022应用指南
3.2 测量结果测量结果如图 10、11 所示。

图 11. 测量结果（放大）图 10. 测量结果发光二极管根据以上测量结果可以得出以下几点。
‧ 照度越高发生的电动势越大。当照度达到户外同等程度（10,000lx 以上）时 LED 可能发生较大的电动势，由此对周边电路造成不良影响。
‧ 即使照度相同，因为芯片尺寸、LED 构造的不同，不同品种 LED 间的电动势大小也会发生差异。但是在照度达到一定程度后电动势会趋于饱和，品种间的电动势差异减小（如 No.1、3、4 和 6）。因光照发生的电动势的最大值由 pn 结的禁带宽度决定，因为评价样品都使用了禁带宽度相近的蓝色芯片所以发生的最大电动势也同等。但是根据芯片尺寸、LED 构造的不同，射入的光量会发生变化，所以到电动势饱和为止电动势会出现差异。
‧ 将构造相同芯片数不同的 No.4 的 NCSW193F（1 芯片）和 No.5 的 NC5W193F（5 芯片串联）比较，No.5 的电动势是 No.4 的 5 倍。由此可见发生的电动势大小和串联芯片数成正比。
‧ 将构造相同颜色不同的 No.1 的 NCSW170F（白色）和 No.2 的 NCSA170F（橙色）相比较，No.2 发生的电动势比 No.1 小。这是因为和白色 LED 相比，橙色 LED 的荧光体浓度更高，外部的光更不容易到达芯片引起的。
‧ No.7 的 NFSA172C（橙色）在负向上发生了电动势。这是 LED 中内藏的保护器件（齐纳二极管）发生的电动势。橙色 LED 因为荧光体浓度较高，大部分射入的光不会直接到达芯片，而是
根据荧光体颜色被转换为黄、红等颜色的光。No.7 使用了蓝色芯片，因为黄、红色光的能量比
芯片低，所以芯片不会发生电动势。而 No.7 中内藏的保护器件的禁带宽度较窄，所以即使是黄、红色的光也会使其发生电动势。另外如图 12 所示，保护器件和芯片的极性反向连接，所以保护器件的电动势是在和芯片的相反方向上发生。另外虽然 No.2 的 NCSA170F 也和 No.7 相同，是内藏有保护器件的橙色 LED，但是 No.2 在构造上保护器件被反射材料覆盖，不会暴露在光照下，所以不会发生负向上的电动势。
负极正极

图 12. LED 内部电路图(例)本文包括暂定内容，日亚公司有权不经公告对其进行修改。

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May 10, 2022应用指南4. 最后
LED 在构造上是容易发生电动势的电子元件。可能因使用环境和方法发生较大电动势导致周边电路出现误动作并损坏电路上的其他元件。为了防止以上不良，使用 LED 时应该让最终产品在构造上避免外部光的射入，或设计保护电路避免发生的电动势影响周边电路。

发光二极管本应用指南对 LED 发生的电动势的测量结果进行了介绍，但是电动势的大小受多种因素影响，所以应事先在预想的实际使用条件下，对 LED 发生的电动势不会对周边电路造成影响进行确认。

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