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    • 發(fā)布時(shí)間:2020-07-31 18:38:02
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    LED基礎(chǔ)知識(shí)-LED工作原理-特性與應(yīng)用
    (一)LED發(fā)光原理
    發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的,其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性,即正向?qū)ǎ聪蚪刂埂舸┨匦浴4送猓谝欢l件下,它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下,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)方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光,如圖1所示。
    LED工作原理
    假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的,那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光,或者先被發(fā)光中心捕獲后,再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外,還有些電子被非發(fā)光中心(這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復(fù)合,每次釋放的能量不大,不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大,光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的,所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以?xún)?nèi)產(chǎn)生。
    理論和實(shí)踐證明,光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬
    度Eg有關(guān),即
    λ≈1240/Eg(mm)
    式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光(波長(zhǎng)在380nm紫光~780nm紅光),半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26~1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管,但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高,使用不普遍。
    (二)LED的特性
    1.極限參數(shù)的意義
    (1)允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值,LED發(fā)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(guò)此值可損壞二極管。
    (3)最大反向電壓VRm:所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值,發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。
    (4)工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發(fā)光二極管將不能正常工作,效率大大降低。
    2.電參數(shù)的意義
    (1)光譜分布和峰值波長(zhǎng):某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng),其波長(zhǎng)大體按圖2所示。
    LED工作原理
    由圖可見(jiàn),該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大,該波長(zhǎng)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(xiàn)(對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線(xiàn))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(chēng)半功率角)。
    LED工作原理
    圖3給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線(xiàn)(法線(xiàn))AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度(即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比)。顯然,法線(xiàn)方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1,離開(kāi)法線(xiàn)方向的角度越大,相對(duì)發(fā)光強(qiáng)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(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。
    (6)正向工作電壓VF:參數(shù)表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(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4~3V。在外界溫度升高時(shí),VF將下降。
    (7)V-I特性:發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。
    LED工作原理
    在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時(shí),電流極小,不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值后,正向電流隨電壓迅速增加,發(fā)光。由V-I曲線(xiàn)可以得出發(fā)光管的正向電壓,反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。
    (三)LED的分類(lèi)
    1.按發(fā)光管發(fā)光顏色分
    按發(fā)光管發(fā)光顏色分,可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光等。另外,有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。
    根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色,上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類(lèi)型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。
    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(lèi):
    (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(lèi)方法外,還有按芯片材料分類(lèi)及按功能分類(lèi)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。
    LED工作原理
    (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。
    LED工作原理
    (3)單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端,可用LED表示輸出信號(hào)是否正常,如圖7所示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí),LED才可能發(fā)光。
    LED工作原理
    (4)單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê螅娏麟S電壓變化非常快,具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4~3V間,應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF,如圖8所示。
    (5)電平表。目前,在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的,即發(fā)光的LED數(shù)目不同,則表示輸出電平的變化。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……。
    LED工作原理
    (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)?infin;,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)?times;10kΩ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(xiàn)將其中一塊萬(wàn)用表的“+”接線(xiàn)柱與另一塊表的“-”接線(xiàn)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。
    LED工作原理
    2.紅外發(fā)光二極管的檢測(cè)
    由于紅外發(fā)光二極管,它發(fā)射1~3μm的紅外光,人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW,不同型號(hào)的紅外LED發(fā)光強(qiáng)度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3~2.5V。正是由于其發(fā)射的紅外光人眼看不見(jiàn),所以利用上述可見(jiàn)光LED的檢測(cè)法只能判定其PN結(jié)正、反向電學(xué)特性是否正常,而無(wú)法判定其發(fā)光情況正常否。為此,最好準(zhǔn)備一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光電池)作接收器。用萬(wàn)用表測(cè)光電池兩端電壓的變化情況。來(lái)判斷紅外LED加上適當(dāng)正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測(cè)量電路如圖11所示。
    LED工作原理
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