LED發光二極體工作原理特性及應用

半導體發光器件包括半導體發光二極體（簡稱led）、數碼管、符號管、公尺字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數碼管、符號管、公尺字管及矩陣管中的每個發光單元都是乙個發光二極體。

（一）led發光原理

發光二極體是由ⅲ-ⅳ族化合物，如gaas（砷化鎵）、 gap（磷化鎵）、gaasp（磷砷化鎵）等半導體製成的，其核心是pn結。因此它具有一般p-n結的i-n特性，即正嚮導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。

在正向電壓下，電子由n區注入p區，空穴由p區注入n區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光，如圖1所示。

假設發光是在p區中發生的，那麼注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴復合發光。除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介於導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的復合量相對於非發光復合量的比例越大，光量子效率越高。

由於復合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近pn結面數μm以內產生。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度ｅg有關，即λ≈1240/eg（mm）式中eg的單位為電子伏特（ev）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的eg應在3.

26～1.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光。

現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極體，但其中藍光二極體成本、**很高，使用不普遍。

（二）led的特性

1．極限引數的意義

（1）允許功耗pm:允許加於led兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，led發熱、損壞。

（2）最大正向直流電流ifm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極體。

（3）最大反向電壓vrm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極體可能被擊穿損壞。

（4）工作環境topm:發光二極體可正常工作的環境溫度範圍。低於或高於此溫度範圍，發光二極體將不能正常工作，效率大大降低。

2．電引數的意義

（1）光譜分布和峰值波長：某乙個發光二極體所發之光並非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發光管所發之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。

2）發光強度iv：發光二極體的發光強度通常是指法線（對圓柱形發光管是指其軸線）方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）w/sr時，則發光1坎德拉（符號為cd）。

由於一般led的發光二強度小，所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。

（3）光譜半寬度δλ:它表示發光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔.

（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。

圖3給出的二只不同型號發光二極體發光強度角分布的情況。中垂線（法線）ao的座標為相對發光強度（即發光強度與最大發光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發光強度越小。

由此圖可以得到半值角或視角值。

（5）正向工作電流if：它是指發光二極體正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇if在0.6·ifm以下。

（6）正向工作電壓vf：參數列中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在 if=20ma時測得的。

發光二極體正向工作電壓vf在1.4～3v。在外界溫度公升高時，vf將下降。

（7）v- i特性：發光二極體的電壓與電流的關係可用圖4表示。在正向電壓正小於某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。

當電壓超過某一值後，正向電流隨電壓迅速增加，發光。由v-i曲線可以得出發光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等引數。正向的發光管反向漏電流ir<10μa以下。

（三）led的分類

1．按發光管發光顏色分

按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發光二極體中包含二種或三種顏色的晶元。根據發光二極體出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極體還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種型別。

散射型發光二極體和達於做指示燈用。

2．按發光管出光面特徵分

按發光管出光面特徵分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、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。

國外通常把φ3mm的發光二極體記作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圓形發光強度角分布情況。

從發光強度角分布圖來分有三類：

（1）高指向性。一般為尖頭環氧封裝，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，可作區域性照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

（2）標準型。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．按發光二極體的結構分

按發光二極體的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

4．按發光強度和工作電流分

按發光強度和工作電流分有普通亮度的led（發光強度<10mcd）；超高亮度的led（發光強度》100mcd）；把發光強度在 10～100mcd間的叫高亮度發光二極體。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（亮度與普通發光管相同）。

除上述分類方法外，還有按晶元材料分類及按功能分類的方法。

（四）led的應用

由於發光二極體的顏色、尺寸、形狀、發光強度及透明情況等不同，所以使用發光二極體時應根據實際需要進行恰當選擇。由於發光二極體具有最大正向電流ifm、最大反向電壓vrm的限制，使用時，應保證不超過此值。為安全起見，實際電流if 應在0.

6ifm以下；應讓可能出現的反向電壓vr<0。6vrm。led被廣泛用於種電子儀器和電子裝置中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。

紅外發光管常被用於電視機、錄影機等的遙控器中。

1）利用高亮度或超高亮度發光二極體製作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻r限流電阻，其值應保證電源電壓最高時應使led的電流小於最大允許電流ifm。

（2）圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。

圖(a)中的電阻≈（e-vf）/if；

圖(b)中的r≈（1.4vi-vf）/if;

圖(c)中的r≈vi/if式中，vi——交流電壓有效值。

（3）單led電平指示電路。在放大器、振盪器或脈衝數位電路的輸出端，可用led表示輸出訊號是否正常，如圖7所示。r為限流電阻。

只有當輸出電壓大於led的閾值電壓時，led才可能發光。

（4）單led可充作低壓穩壓管用。由於led正嚮導通後，電流隨電壓變化非常快，具有普通穩壓管穩壓特性。發光二極體的穩定電壓在1.4～3v間，應根據需要進行選擇vf，如圖8所示。

（5）電平表。目前，在音響裝置中大量使用led電平表。它是利用多隻發光管指示輸出訊號電平的，即發光的led數目不同，則表示輸出電平的變化。

圖9是由5只發光二極體構成的電平表。當輸入訊號電平很低時，全不發光。輸入訊號電平增大時，首先led1亮，再增大 led2亮……。

LED發光二極體工作原理特性及應用

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發光二極體工作原理

LED發光二極體工作原理及檢測方法

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