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1、LED发光二极管半导体发光器件涉及半导体发光二极管（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种发光二极管。 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
2、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，尚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，因此光仅在接近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.
3、63eV之间。比红光波长长的光为红外光。目前已有红外、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）容许功耗Pm:容许加于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：容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：所容许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管也许被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范畴。低于或高于此温度范畴，发光二极管将不能正常工作，效率大大减少。2电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一
4、种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一般是指法线（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，因此发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。（3）光谱半宽度:它表达发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所相应两波长之间隔.（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
5、不同型号发光二极管发光强度角分布的状况。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0.6IFm如下。（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表达。在正向电压正不不小于某一值
6、（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长，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IR10A如下。（三）LED的分类1按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可提成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、原则绿和纯绿）、蓝光等。此外，有的发光二极管中涉及二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述多种颜色的发光二极管还可提成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做批示灯用。2按发光管出光面特性分按发光管出光面特性分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装
7、用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外一般把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布状况。从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以构成自动检测系统。（2）原则型。一般作批示灯用，其半值角为2045。（3）散射型。这是视角较大的批示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。3按发光二极管的构造分按发光二极管的构
8、造分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等构造。4按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有一般亮度的LED（发光强度100mcd）；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的工作电流在2mA如下（亮度与一般发光管相似）。 除上述分类措施外，尚有按芯片材料分类及按功能分类的措施。（四）LED的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明状况等不同，因此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
9、，实际电流IF应在0.6IFm如下；应让也许浮现的反向电压VR0。6VRm。LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源批示灯、电平批示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。（1）运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的电流不不小于最大容许电流IFm。（2）图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源批示电路。 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电平批示电路。在放大
10、器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED表达输出信号与否正常，如图7所示。R为限流电阻。只有当输出电压不小于LED的阈值电压时，LED才也许发光。（4）单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后，电流随电压变化非常快，具有一般稳压管稳压特性。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。它是运用多只发光管批示输出信号电平的，即发光的LED数目不同，则表达输出电平的变化。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，一方面LED1亮，再增大LED2亮。 （五）发光二
11、极管的检测1一般发光二极管的检测（1）用万用表检测。运用品有10k挡的指针式万用表可以大体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，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测措施，不能实地看到发光管的发光状况，由于10k挡不能向LED提供较大正向电流。如果有两块指针万用表（最佳同型号）可以较好地检查发光二极管的发光状况。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。正常状况下，接通后就能正常发光。若亮度很
12、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，则阐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）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）可以较精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，可以阐明发光正常。如果测得VF=0或VF3V，且不发光，阐明发光管已坏。 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。一般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似。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，因此运用上述可见光LED的检测法只能鉴定其PN结正、反向电学特性与否正常，而无法鉴定其发光状况正常否。为此，最佳准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接受器。用万用表测光电池两端电压的变化状况。来判断红外LED加上合适正向电流后与否发射红外光。其测量电路如图11所示.
