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1、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（欢迎光临中国IEEEhttp:/ ) 文章来源： 本站整理点击数：更新时间： 2008-3-12 【字体： 小 大】LED 发光二极管半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED ）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一） LED 发光原理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、 GaP（磷化镓）、 GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向导通，
2、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N 区注入 P 区，空穴由P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1 所示。假设发光是在P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结面数 m以内产生。理论和实践证明，
3、光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g 有关，即 1240/Eg（mm）式中 Eg 的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm 紫光 780nm 红光），半导体材料的Eg 应在 3.261.63eV 之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。（二） LED 的特性极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED 发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm ：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允
4、许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm: 发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2 所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长0 的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr 时，则发光1 坎德拉（符号为cd）。由于一般LED 的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位
5、。（3）光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度.是指图 3 中 1/2 峰值光强所对应两波长之间隔. （4）半值角 1/2 和视角： 1/2 是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2 倍为视角（或称半功率角）。图 3 给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO 的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。（5）正向工作电流If ：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF 在 0.6 IFm 以
6、下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA 时测得的。发光二极管正向工作电压 VF 在 1.43V。在外界温度升高时，VF 将下降。（7）V-I 特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4 表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I 曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流 IR100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几mA 至几十 mA ，而低电流 LED 的工作电流
7、在2mA 以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。（四） LED 的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFm 、最大反向电压VRm 的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF 应在 0.6IFm 以下；应让可能出现的反向电压VR0。6VRm。LED 被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。（1）利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5
8、 所示。图中电阻R 限流电阻，其值应保证电源电压最高时应使LED 的电流小于最大允许电流IFm 。（2）图 6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。图(a)中的电阻 （E-VF）/IF；图(b)中的 R （1.4Vi-VF ）/IF; 图(c) 中的 RVi/IF 式中， Vi 交流电压有效值。（3）单 LED 电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED 表示输出信号是否正常，如图7 所示。 R 为限流电阻。只有当输出电压大于LED 的阈值电压时，LED 才可能发光。（4）单 LED 可充作低压稳压管用。由于LED 正向导通后，电流随电压变化非
9、常快，具有普通稳压管稳压特性。发光二极管的稳定电压在1.43V 间，应根据需要进行选择VF，如图 8 所示。（5）电平表。目前，在音响设备中大量使用LED 电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的，即发光的LED 数目不同，则表示输出电平的变化。图9 是由 5 只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时，全不发光。输入信号电平增大时，首先LED1 亮，再增大LED2 亮 。（五）发光二极管的检测1普通发光二极管的检测（1）用万用表检测。利用具有10k 挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200k,反向电阻的值为。如果正向电阻值为0 或为 ，反
10、向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为10k挡不能向 LED 提供较大正向电流。如果有两块指针万用表（最好同型号） 可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“ -”接线柱连接。余下的“ -” 笔接被测发光管的正极（P 区），余下的 “+” 笔接被测发光管的负极（N 区）。两块万用表均置10挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至1若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于1 ，以免电流过大，损坏发光二极管。（2
11、）外接电源测量。用3V 稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图 10 所示连接电路即可。如果测得VF 在 1.43V 之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0 或 VF 3V，且不发光，说明发光管已坏。2红外发光二极管的检测由于红外发光二极管，它发射13m 的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED 发光强度角分布也不相同。红外LED 的正向压降一般为1.32.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED 的检测法只能判定其PN 结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR 型硅光电池）作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED 加上适当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图11 所示。
