Índice de refracción
La mayoría de los materiales semiconductores usados en la fabricación de los ledes presentan un índice de refracción muy elevado con respecto al aire. Esto implica que la mayoría de la luz emitida en el interior del semiconductor se va a reflejar al llegar a la superficie exterior que se encuentra en contacto con el aire por un fenómeno de reflexión total interna.
Este fenómeno afecta tanto a la eficiencia en la emisión luminosa de los ledes como a la eficiencia en la absorción de la luz de las células fotovoltaicas. El índice de refracción del silicio es 3.96 (a 590 nm),mientras que el del aire es 1,0002926. La extracción de la luz constituye, por tanto, un aspecto muy importante y en constante investigación y desarrollo a tomar en consideración en la producción de ledes.
En general, un chip semiconductor led de superficie plana sin revestir emitirá luz solamente en la dirección perpendicular a la superficie del semiconductor y en unas direcciones muy próximas, formando un cono llamado cono de luz o cono de escape.49 El máximo ángulo de incidencia que permite escapar a los fotones del semiconductor se conoce como ángulo crítico. Cuando se sobrepasa este ángulo, los fotones ya no se escapan del semiconductor pero en cambio son reflejados dentro del cristal del semiconductor como si existiese un espejo en la superficie exterior.
Debido a la reflexión interna, la luz que ha sido reflejada internamente en una cara puede escaparse a través de otras caras cristalinas si el ángulo de incidencia llega a ser ahora suficientemente bajo y el cristal es suficientemente transparente para no reflejar nuevamente la emisión de fotones hacia el interior. Sin embargo, en un simple led cúbico con superficies externas a 90 grados, todas las caras actúan como espejos angulares iguales. En este caso, la mayor parte de la luz no puede escapar y se pierde en forma de calor dentro del cristal semiconductor.
Un chip que presente en su superficie facetas anguladas similares a las de una joya tallada o a una lente fresnel puede aumentar la salida de la luz al permitir su emisión en las orientaciones que sean perpendiculares a las facetas exteriores del chip, normalmente más numerosas que las seis únicas de una muestra cúbica.
La forma ideal de un semiconductor para obtener la máxima salida de luz sería la de una microesfera con la emisión de los fotones situada exactamente en el centro de la misma, y dotada de electrodos que penetraran hasta el centro para conectar con el punto de emisión. Todos los rayos de luz que partieran del centro serían perpendiculares a la superficie de la esfera, lo que daría lugar a que no hubiera reflexiones internas. Un semiconductor semiesférico también funcionaría correctamente puesto que la parte plana actuaría como un espejo para reflejar los fotones de forma que toda la luz se podría emitir completamente a través de la semiesfera.