半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性及應(yīng)用

LED發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光器件件包括半導(dǎo)體體發(fā)光二極管管（簡(jiǎn)稱LED）、數(shù)碼管管、符號(hào)管、米米字管及點(diǎn)陣陣式顯示屏（簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱矩陣管）等等。事實(shí)上，數(shù)數(shù)碼管、符號(hào)號(hào)管、米字管管及矩陣管中中的每個(gè)發(fā)光光單元都是一一個(gè)發(fā)光二極極管。半導(dǎo)體發(fā)光二極極管工作原理理、特性及應(yīng)應(yīng)用

（一）LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵鎵）等半導(dǎo)體體制成的，其其核心是PN結(jié)。因此它它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正正向?qū)?，反反向截止、擊穿穿特性。此外外，在一定條條件下，它還還具有發(fā)光特特性。在正向向電壓下，電電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)對(duì)方區(qū)域的少少數(shù)載流子（少少子）一部分分與多數(shù)載流流子（多子）復(fù)復(fù)合而發(fā)光，如如圖1所示。假設(shè)發(fā)光是是在P區(qū)中發(fā)生的的，那么注入入的電子與價(jià)價(jià)帶空穴直接接復(fù)合而發(fā)光光，或者先被被發(fā)光中心捕捕獲后，再與與空穴復(fù)合發(fā)發(fā)光。除了這這種發(fā)光復(fù)合合外，還有些些電子被非發(fā)發(fā)光中心（這這個(gè)中心介于于導(dǎo)帶、介帶帶中間附近）捕捕獲，而后再再與空穴復(fù)合合，每次釋放放的能量不大大，不能形成成可見(jiàn)光。發(fā)發(fā)光的復(fù)合量量相對(duì)于非發(fā)發(fā)光復(fù)合量的的比例越大，光光量子效率越越高。由于復(fù)復(fù)合是在少子子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)發(fā)光的，所以以光僅在靠近近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐踐證明，光的的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域域的半導(dǎo)體材材料禁帶寬度度Ｅg有關(guān)，即λ≈1240//Eg（mm）式中Eg的單位為電電子伏特（eV）。若能產(chǎn)產(chǎn)生可見(jiàn)光（波波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半半導(dǎo)體材料的的Eg應(yīng)在3.26～1.63eeV之間。比紅紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的的光為紅外光光?，F(xiàn)在已有有紅外、紅、黃黃、綠及藍(lán)光光發(fā)光二極管管，但其中藍(lán)藍(lán)光二極管成成本、價(jià)格很很高，使用不不普遍。

（二二）LED的特性

1．極限參數(shù)數(shù)的意義

（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直直流電壓與流流過(guò)它的電流流之積的最大大值。超過(guò)此此值，LED發(fā)熱、損壞壞。

（2）最大正向向直流電流IFm：允許加的的最大的正向向直流電流。超超過(guò)此值可損損壞二極管。

（3）最大反向向電壓VRm：所允許加加的最大反向向電壓。超過(guò)過(guò)此值，發(fā)光光二極管可能能被擊穿損壞壞。

（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管管可正常工作作的環(huán)境溫度度范圍。低于于或高于此溫溫度范圍，發(fā)發(fā)光二極管將將不能正常工工作，效率大大大降低。

2．電參數(shù)的的意義

（1）光譜分布布和峰值波長(zhǎng)長(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)發(fā)光二極管所所發(fā)之光并非非單一波長(zhǎng)，其其波長(zhǎng)大體按按圖2所示。由圖圖可見(jiàn)，該發(fā)發(fā)光管所發(fā)之之光中某一波波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大大，該波長(zhǎng)為為峰值波長(zhǎng)。

（2）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。

（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔.

（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。圖3給出的二二只不同型號(hào)號(hào)發(fā)光二極管管發(fā)光強(qiáng)度角角分布的情況況。中垂線（法法線）AO的坐標(biāo)為相相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度度（即發(fā)光強(qiáng)強(qiáng)度與最大發(fā)發(fā)光強(qiáng)度的之之比）。顯然然，法線方向向上的相對(duì)發(fā)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開(kāi)法線線方向的角度度越大，相對(duì)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越越小。由此圖圖可以得到半半值角或視角角值。（5）正向工工作電流If：它是指發(fā)發(fā)光二極管正正常發(fā)光時(shí)的的正向電流值值。在實(shí)際使使用中應(yīng)根據(jù)據(jù)需要選擇IF在0.6·IIFm以下。

（6）正向工作作電壓VF：參數(shù)表中中給出的工作作電壓是在給給定的正向電電流下得到的的。一般是在在IF=220mA時(shí)測(cè)得的。發(fā)發(fā)光二極管正正向工作電壓壓VF在1.4～3V。在外界溫溫度升高時(shí)，VF將下降。

（7）V-I特性：發(fā)光光二極管的電電壓與電流的的關(guān)系可用圖圖4表示。在正正向電壓正小小于某一值（叫叫閾值）時(shí)，電電流極小，不不發(fā)光。當(dāng)電電壓超過(guò)某一一值后，正向向電流隨電壓壓迅速增加，發(fā)發(fā)光。由V-I曲線可以得得出發(fā)光管的的正向電壓，反反向電流及反反向電壓等參參數(shù)。正向的的發(fā)光管反向向漏電流IR<10μA以下。

（三）LED的分類

1．按發(fā)光管管發(fā)光顏色分分

按發(fā)光管發(fā)發(fā)光顏色分，可可分成紅色、橙橙色、綠色（又又細(xì)分黃綠、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠綠）、藍(lán)光等等。另外，有有的發(fā)光二極極管中包含二二種或三種顏顏色的芯片。根根據(jù)發(fā)光二極極管出光處摻摻或不摻散射射劑、有色還還是無(wú)色，上上述各種顏色色的發(fā)光二極極管還可分成成有色透明、無(wú)無(wú)色透明、有有色散射和無(wú)無(wú)色散射四種種類型。散射射型發(fā)光二極極管和達(dá)于做做指示燈用。

2．按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三類：

（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

3．按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分

按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。

4．按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分

按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度>100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。

除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。

（四）LED的應(yīng)用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過(guò)此值。為安全起見(jiàn)，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下；應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0。6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器中。

（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流IFm。（2）圖6((a)、(b)、(c)分別為直流流電源、整流流電源及交流流電源指示電電路。

圖(a)中的電阻≈（E-VF）/IF；

圖(b)中的R≈（1.4Vii-VF）/IF;

圖(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi——交流電壓有有效值。

（3）單LED電平指示電電路。在放大大器、振蕩器器或脈沖數(shù)字字電路的輸出出端，可用LED表示輸出信信號(hào)是否正常常，如圖7所示。R為限流電阻阻。只有當(dāng)輸輸出電壓大于于LED的閾值電壓壓時(shí)，LED才可能發(fā)光光。（4）單LEED可充作低壓壓穩(wěn)壓管用。由由于LED正向?qū)ê蠛螅娏麟S電電壓變化非常?？?，具有普普通穩(wěn)壓管穩(wěn)穩(wěn)壓特性。發(fā)發(fā)光二極管的的穩(wěn)定電壓在在1.4～3V間，應(yīng)根據(jù)據(jù)需要進(jìn)行選選擇VF，如圖8所示。（5）電平表表。目前，在在音響設(shè)備中中大量使用LED電平表。它它是利用多只只發(fā)光管指示示輸出信號(hào)電電平的，即發(fā)發(fā)光的LED數(shù)目不同，則則表示輸出電電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí)，全不發(fā)光。輸入信號(hào)電平增大時(shí)，首先LED1亮，再增大LED2亮……。

（五）發(fā)光二極管的檢測(cè)

1．普通發(fā)光二極管的檢測(cè)

（1）用萬(wàn)用表檢測(cè)。利用具有×10kΩ擋的指針式萬(wàn)用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或?yàn)椤?，反向電阻值很小或?yàn)?，則易損壞。這種檢測(cè)方法，不能實(shí)地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因?yàn)椤?0kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。

如果有兩塊指針萬(wàn)用表（最好同型號(hào)）可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬(wàn)用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測(cè)發(fā)光管的正極（P區(qū)），余下的“+”筆接被測(cè)發(fā)光管的負(fù)極（N區(qū)）。兩塊萬(wàn)用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬(wàn)用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說(shuō)明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意，不能一開(kāi)始測(cè)量就將兩塊萬(wàn)用表置于×1Ω，以免電流過(guò)大，損壞發(fā)光二極管。

（2）外接電源測(cè)量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬(wàn)用表（指針式或數(shù)字式皆可）可以較準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測(cè)得VF在1.4～3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說(shuō)明發(fā)光正常。如果測(cè)得VF=0或VF≈3V，且不發(fā)光，說(shuō)明發(fā)光管已壞。

2．紅外發(fā)光二二極管的檢測(cè)測(cè)

由于紅外發(fā)發(fā)光二極管，它它發(fā)射1～3μm的紅外光，人人眼看不到。通通常單只紅外外發(fā)光二極管管發(fā)射功率只只有數(shù)mW，不同型號(hào)號(hào)的紅外LED發(fā)光強(qiáng)度