1、LED工作原理、特性及應用(一LED發光原理發光二極管是由-族化合物,如GaAs(砷化鎵、GaP(磷化鎵、GaAsP(磷砷化鎵等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N 結的I-N特性,即正向導通,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,那么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后,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(這個中心介于導帶、介帶中間附近捕獲,而后再與空穴復

2、合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以光僅在靠近PN結面數m以內產生。理論和實踐證明,光的峰值波長與發光區域的半導體材料禁帶寬度E g有關,即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3.261.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍。(二LED的特性1.極限參數的意義(1允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流

3、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管。(3最大反向電壓VRm:所允許加的最大反向電壓。超過此值,發光二極管可能被擊穿損壞。(4工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發光二極管將不能正常工作,效率大大降低。2.電參數的意義(1光譜分布和峰值波長:某一個發光二極管所發之光并非單一波長,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0的光強最大,該波長為峰值波長。(2發光強度IV:發光二極管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

4、射強度為(1/683W/sr時,則發光1坎德拉(符號為cd。由于一般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: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1/2和視角:1/2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管發光強度角分布的情況。中垂線(法線AO的坐標為相對發光強度(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

5、二極管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時測得的。發光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時,VF將下降。(7V-I特性:發光二極管的電壓與電流的關系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值(叫閾值時,電流極小,不發光。當電壓超過某一值后,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參數。正向的發光管反向漏電流IR100mcd;把發光強度在10100mcd間的叫高亮度發光二極管。一般LED的工作電

6、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,還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。(四LED的應用由于發光二極管的顏色、尺寸、形狀、發光強度及透明情況等不同,所以使用發光二極管時應根據實際需要進行恰當選擇。由于發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,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被廣泛用于種電子儀器和電子設備中,可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。(1利用高亮度或超高亮度發

7、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,其值應保證電源電壓最高時應使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RVi/IF式中,Vi交流電壓有效值。(3單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數字電路的輸出端,可用LED表示輸出信號是否正常,如圖7所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大于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。由于LED正向導通后,電流隨電壓變化非常快,具有普通穩壓管穩壓特性。發光二極管

8、的穩定電壓在1.43V間,應根據需要進行選擇VF,如圖8所示。(5電平表。目前,在音響設備中大量使用LED電平表。它是利用多只發光管指示輸出信號電平的,即發光的LED 數目不同,則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發光二極管構成的電平表。當輸入信號電平很低時,全不發光。輸入信號電平增大時,首先LED1亮,再增大LED2亮。(五發光二極管的檢測1.普通發光二極管的檢測(1用萬用表檢測。利用具有×10k擋的指針式萬用表可以大致判斷發光二極管的好壞。正常時,二極管正向電阻阻值為幾十至200k,反向電阻的值為。如果正向電阻值為0或為,反向電阻值很小或為0,則易損壞。這種檢測方法,不能實地看到發

9、光管的發光情況,因為×10k擋不能向LED提供較大正向電流。如果有兩塊指針萬用表(最好同型號可以較好地檢查發光二極管的發光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發光管的正極(P區,余下的“+”筆接被測發光管的負極(N區。兩塊萬用表均置×10擋。正常情況下,接通后就能正常發光。若亮度很低,甚至不發光,可將兩塊萬用表均撥至×1若,若仍很暗,甚至不發光,則說明該發光二極管性能不良或損壞。應注意,不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1,以免電流過大,損壞發光二極管。(2外接電源測量。用3V穩壓源或兩節串聯的干電池及萬用表(指針式或數字式皆可可以較準確測量發光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF 在1.43V之間,且發光亮度正常,可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF3V,且不發光,說明發光管已壞。2.紅外發光二極管的檢測由于紅外發光二極管,它發射13m的紅外光,人眼看不到。通常單只紅外發光二極管發射功率只有數mW,不同型號的紅外LED發光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.32.5V。正是