LED,PN结有源层发出的光子能否100%逸出到空气中？

上面已经了解到LED PN结有源层的电—光转换效率不是很高，有相当一部分电能没有转换成光源，而是转换成热能损耗在PN结内，成为PN结的发热源。人们正在通过材料、工艺等机理上的努力去提高这一效率，但是即使我们在LED加上例如1W的电功率，它能将这个电功率全部变成1W光功率，那么我们要问：这些光子能否全部逸出到空气中被人们“看见”？回答也是否定的。于是就有一个LED光子逸出率的问题存在。可以用（60-1）式来表示LED中产生的光子逸出到空气中的比率。
μont=（逸出到空气中的光子数/PN结产生的光子总数）×100% （60-1）
我们可以称（60-1）为LED的外量子效率。为方便说明，我们假定LED的材料为GaAs，其材料的折射系数为n1=3.9与芯片接触的界面是空气，它的光折射系数n0=1，由光的传播理论中的光线折射定律可以知道，二种不同材料的界面在折射系数不相同时，其垂直于界面的光的反射指数可用式（60-2）来表示：
R(L)=[(n1 - n0 )/ (n1 + n0 )]2×100% （60-2）
对于GaAs与空气则有：
R(L)=[(3.9 - 1 )/ (3.9 + 1 )]2×100%=35.02%
这就是说，有35.02%的光子将被反射回GaAs材料中即反射回芯片内不能逸出到空气中，仅有64.98%有可能逸出到空气中。然而，LED的发光若是一个点光源时，其边界全发射临界角θC与界面二种材料的折射系数有关，并由（60-3）式确定：
θC=arcSin(n0/n1) （60-3）
对于GaAs和空气：θC= arcSin(1/3.9)=14.90°
边界全发射临界角为29.8°，超过这个角度不能发射到空气中，显然这对一个球面而言，这个角度仅8.27%的区域能全发射，显然外量子效率是极低的。
当然对LED芯片来说，它是一个六面体，并非点光源，在不计电极挡光时，这个六面体的六个面均可有一个全发射临界角，共可有49.6%的出光区域。事实上，LED由于要引出电极，固定在引线框架上等原因，还做不到六个面出光，也就是达不到49.6%的全发射区域。LED外量子效率一般仅在20%左右，它还有很大的提升空间，就是要从LED芯片结构，封装结构，材料折射系数等综合多方面因素加以解决，来提高效率。