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1、半导体发光器件_一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 440 更新时间： 2005-11-13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，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件
2、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，光的峰值波长 与发光区域
3、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1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：所允许加的最大反向电
4、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。2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，法线方向上南喽苑馇慷任?，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 0.6IFm
6、以下。 （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 L
7、ED 的工作电流在 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
8、制作微型手电的电路如图 5 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-V F）/I F；图(b)中的 R（1.4V i-VF）/I F;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
9、向导通后，电流随电压变化非常快，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
10、阻 的值为。如果正向电阻值为0 或为，反向电阻值很小或为 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
11、1，以免电流过大，损坏发光二极管。（2）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 VF3V，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。
