發(fā)光二極管工作原理及應(yīng)用

1、發(fā)光二極管 二極管 二極管 單向?qū)щ?why? 需要簡(jiǎn)單了解的東西 半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 PN結(jié) 半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間 物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電能力（電阻率）分 半導(dǎo)體 絕緣體 導(dǎo)體 1. 半導(dǎo)體 最常用的半導(dǎo)體材料最常用的半導(dǎo)體材料 鍺鍺 硅硅 +14 284 Si 硅原子結(jié)構(gòu)示意圖 +32 28 18 Ge 鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖 4 原子結(jié)構(gòu)示意圖 +4 硅、鍺原子 的簡(jiǎn)化模型 平面結(jié)構(gòu) 立體結(jié)構(gòu) +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 2. 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體 (提純的晶體) 本 征 激 發(fā) 產(chǎn) 生 電 子 和 空 穴 自由電子 空穴 +4+

2、4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 載 流 子 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 在 外 電 場(chǎng) 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 在 外 電 場(chǎng) 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 在 外 電 場(chǎng) 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 在 外 電 場(chǎng) 作 用 下 +4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 +4 U 價(jià)電子填 補(bǔ)空穴而 使空穴移 動(dòng)，形成 空穴電流 在 外 電 場(chǎng) 作 用 下 但是本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴的 數(shù)量極少，所以可以在里面摻入微量雜 質(zhì)（元素），

3、使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)。 所以就有了P型半導(dǎo)體和N型半 導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 （摻入3個(gè)價(jià)電子元素） 元素周期表 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型 多數(shù)載 流子 少數(shù)載 流子 N型半導(dǎo)體 （5價(jià)） 元素周期表 多數(shù)載流 子 電子 少數(shù)載流 子空穴 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型 PN結(jié) P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面的特殊薄層 18 平衡情況下的PN結(jié) P型區(qū)N型區(qū) 內(nèi)建電場(chǎng) PN結(jié) (2)隨著內(nèi)電場(chǎng)由弱到強(qiáng)的建立,少子漂移從無到有, 逐漸加強(qiáng),而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱, 形成平衡的PN結(jié)。 (1)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空間電荷區(qū)建立內(nèi)電場(chǎng) 1、PN結(jié)(PN Junction)的形成 多子的擴(kuò)散 多

4、子的擴(kuò)散 動(dòng)畫演示 19 平衡情況下的PN結(jié) 2、內(nèi)建電位差或內(nèi)建電壓：熱平衡情況下，PN結(jié)的寬度一定，在PN結(jié) 兩端存在的電壓。 P型區(qū) 內(nèi)建電場(chǎng) PN結(jié) 20 1、PN結(jié)的正向特性（外加正向電壓） P N內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 正向電流IF A、正向偏壓的接法：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位B、正向偏壓削弱內(nèi)電場(chǎng)，有利多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 使PN結(jié)空間電荷區(qū)變窄；C、正向偏壓時(shí)，PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)，外電路電 流IF很大，PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小 限流電阻 R U PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài) 動(dòng)畫演示 21 D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O， PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大 P N 內(nèi)電場(chǎng) 反向電流IR A、

5、反向偏壓的接法：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位 B、反向偏壓內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，不利多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利 于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向電流IR，IR很小，硅管 為納安數(shù)量級(jí)，鍺管為微安數(shù)量級(jí)。 限流電阻 R 外電場(chǎng) U I少子 PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài) 2、PN結(jié)的反向特性（外加反向電壓） C、反向偏壓，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。 D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O， PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大 二極管 將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線 和管殼，就成為二極管 23 二極管的伏安特性 IF /mA正向電流 10 40 30 20 0.20.60.41.00.8 UF/V UR/V IR/ A 反向電流 反向電壓 正

6、向電壓 IS 擊穿電壓UBR 外加正向電壓很小時(shí)， 正向電流很小幾乎為 0，正向電壓超過一 定數(shù)值時(shí)，二極管導(dǎo) 通，電流增大很快。 導(dǎo)通時(shí)，二極管兩端 會(huì)產(chǎn)生正向壓降，硅 管一般是0.60.7V， 鍺管約0.20.3V 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖示意圖 P N P-N結(jié)結(jié) 光輸出光輸出 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正），是利用正 向偏置向偏置PN結(jié)中電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，是結(jié)中電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，是自發(fā)自發(fā) 輻射發(fā)光輻射發(fā)光。 光的顏色視做光的顏色視做 成成PN結(jié)的材料結(jié)的材料 和發(fā)光的波長(zhǎng)和發(fā)光的波長(zhǎng)

7、而定，而波長(zhǎng)而定，而波長(zhǎng) 與材料濃度有與材料濃度有 關(guān)。如采用磷關(guān)。如采用磷 砷化鎵可以發(fā)砷化鎵可以發(fā) 出紅光或黃光出紅光或黃光 ；采用磷化鎵；采用磷化鎵 則發(fā)出綠光則發(fā)出綠光 元素周期表 LED應(yīng)用應(yīng)用 利用利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。 圖圖2.1.4-1點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示圖圖2.1.4-2 字段型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示 樹脂樹脂 反射框反射框 引線框架引線框架 LED芯片芯片 擴(kuò)散片擴(kuò)散片 LED用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是：用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是：LED為固體為固體 元件，可靠性高元件，可靠性高，可以可以做做大型顯示器大型顯示器 。 LED除用做顯示器件外，還可