发光二极管的原理和应用.docx

.发光二极管的原理和应用材料物理 1401 岳佳璆 2023000986页脚.半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称 LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏(简称矩阵管)等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用(一)LED 发光原理发光二极管是由-族化合物，如 GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性， 即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在肯定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子(少子)一局部与多数载流子(多子)复合而发光，如图 1 所示。假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电 子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间四周 )捕获，而后再与空穴复合， 每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的 比 例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子集中区发光的，所以光仅在靠近 PN 结面数 m 以产生。理论和实践证明，光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 Eg 有关， 即1240/Eg(mm)式中 Eg 的单位为电子伏特(eV)。假设能产生可见光(波长在 380nm 紫光780nm红光)，半导体材料的 Eg 应在 3.261.63eV 之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管本钱、价格很高，使用不普遍。二、LED 的特性1.极限参数的意义(1) 允许功耗 Pm:允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED 发热、损坏。(2) 最大正向直流电流 IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。(3) 最大反向电压 VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。(4) 工作环境 topm:发光二极管可正常工作的环境温度围。低于或高于此温度围， 发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2.电参数的意义(1) 光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图 2 所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长 0 的光强最大，该波长为峰值波长。(2) 发光强度 IV：发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。假设在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr 时，则发光 1 坎德拉(符号为 cd)。由于一般 LED 的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。(3) 光谱半宽度 :它表示发光管的光谱纯度.是指图 3 中 1/2 峰值光强所对应两波长之间隔.(4) 半值角 1/2 和视角：1/2 是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。半值角的 2 倍为视角(或称半功率角)。图 3 给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的状况。中垂线(法线)AO 的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。明显，法线方向上的相对发光强度为 1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。(5) 正向工作电流 If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应依据需要选择 IF 在 0.6·IFm 以下。(6) 正向工作电压 VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA 时测得的。发光二极管正向工作电压 VF 在 1.43V。在外界温度上升时，VF 将下降。(7) V-I 特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图 4 表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流微小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压快速增加，发光。由 V-I 曲线可以得动身光管的正向电压， 反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流 IR<10A 以下。三、LED 的分类1. 按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色 (又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。依据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透亮、无色透亮、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2. 按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、外表安装用微型管等。圆形灯按直径分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及20mm 等。国外通常把 3mm 的发光二极管记作 T-1;把 5mm 的记作 T- 1(3/4);把 4.4mm 的记作 T-1(1 /4)。由半值角大小可以估量圆形发光强度角分布状况。从发光强度角分布图来分有三类：(1) 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为 5°20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。(2) 标准型。通常作指示灯用，其半值角为 20°45°。(3) 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 45°90°或更大，散射剂的量较大。3. 按发光二极管的构造分按发光二极管的构造分有全环氧包封、金属底座环氧封装、瓷底座环氧封装及玻璃封装等构造。4. 按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有一般亮度的 LED(发光强度<10mcd);超高亮度的LED(发光强度>100mcd);把发光强度在 10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下(亮度与一般发光管一样)。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。四、LED 的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、外形、发光强度及透亮状况等不同，所以使用发光二极管时应依据实际需要进展恰中选择。由于发光二极管具有最大正向电流 IFm、最大反向电压 VRm 的限制，使用时， 应保证不超过此值。为安全起见，实际电流 IF 应在 0.6IFm 以下;应让可能消灭的反向电压 VR<0.6VRm。LED 被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。(1) 利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图 5 所示。图中电阻 R 限流电阻，其值应保证电源电压最高时应使 LED 的电流小于最大允许电流IFm。(2) 图 6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及沟通电源指示电路。图(a)中的电阻(E-VF)/IF;图(b)中的 R(1.4Vi-VF)/IF; 图(c)中的 RVi/IF式中，Vi沟通电压有效值。(3) 单 LED 电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED 表示输出信号是否正常，如图 7 所示。R 为限流电阻。只有当输出电压大于LED 的阈值电压时，LED 才可能发光。(4) 单 LED 可充作低压稳压管用。由于 LED 正向导通后，电流随电压变化格外快，具有一般稳压管稳压特性。发光二极管的稳定电压在 1.43V 间，应依据需要进展选择 VF，如图 8 所示。(5) 电平表。目前，在音响设备量使用 LED 电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的，即发光的 LED 数目不同，则表示输出电平的变化。图 9 是由 5 只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时，全不发光。输入信号电平增大时，首先 LED1 亮，再增大 LED2 亮。五、发光二极管的检测1.一般发光二极管的检测(1) 用万用表检测。利用具有×10k 挡的指针式万用表可以大致推断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至 200k,反向电阻的值为。假设正向电阻值为 0 或为，反向电阻值很小或为 0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光状况，由于×10k 挡不能向 LED 供给较大正向电流。假设有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光状况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极(P 区)，余下的“+”笔接被测发光管的负极(N 区)。两块万用表均置×10 挡。正常状况下，接通后就能正常发光。假设亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1 假设，假设仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应留意，不能一开头测量就将两块万用表置于×1，以免电流过大，损坏发光二极管。(2) 外接电源测量。用 3V 稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图 10 所 示连接电路即可。假设测得 VF 在 1.43V 之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。假设测得 VF=0 或 VF3V，且不发光，说明发光管已坏。2.红外发光二极管的检测由于红外发光二极管，它放射 13m 的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管放射功率只有数 mW，不同型号的红外 LED 发光强度角分布也不一样。红外 LED 的正向压降一般为 1.32.5V。正是由于其放射的红外光人眼看不见， 所以利用上述可见光 LED 的检测法只能判定其 PN 结正、反向电学特性是否正常， 而无法判定其发光状况正常否。为此，最好预备一只光敏器件(如 2CR、2DR 型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化状况。来推断红外 LED 加上适当正向电流后是否放射红外光。其测量电路如图 11 所示。二、LED 显示器构造及分类通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和适当的光学构造。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、 符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。(一)LED 显示器构造根本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图 12 排列而成的。可实现09 的显示。其具体构造有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。(1) 反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个 LED 贴在与反射罩的七个反射腔相互对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是 LED 芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好 30m 的硅铝丝或金属引线，在反射罩滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式承受散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的牢靠性，必需在芯片和底板上涂以透亮绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示(或符号显示)。(2) 条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成含一只或数只 LED 发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好引线，再用环氧树脂包封起来。(3) 单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上(大圆片)，利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。(4) 符号管、米字管的制作方式与数码管类似。(5) 矩阵管(发光二极管点阵)也可承受类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。(二)LED 显示器分类(1) 按字高分：笔画显示器字高最小有 1mm(单片集成式多位数码管字高一般在23mm)。其他类型笔画显示器最高可达 12.7mm(0.5 英寸)甚至达数百 mm。(2) 按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。(3) 按构造分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。(4)从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极(即 P 区)是公共的，而阴极相互隔离。所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极(即 N 区)是公共的，而阳极是相互隔离的。如图 13 所示。(三)LED 显示器的参数由于 LED 显示器是以 LED 为根底的，所以它的光、电特性及极限参数意义大局部与发光二极管的一样。但由于 LED 显示器含多个发光二极管，所以需有如下特别参数：1.发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不一样，所以各段发光强度不同。全部段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在 1.52.3 间，最大不能超过 2.5。2.脉冲正向电流假设笔画显示器每段典型正向直流工作电流为 IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。(四)LED 显示器的应用指南1.七段数码显示器(1) 假设数码宇航局为共阳极形式，那么它的驱动级应为集电极开路(OC)构造，如图 14(a)所示。假设数码管为共阴极形式，它的驱动级应为射极输出或源极输出电路，如图14(b)所示。例如国产 TTL 集成电路 CT1049、CT4049 为集电极开路形式七段字形译码驱动电路;而 CMOS 集成电路 CC4511 为源极输出七段锁存、译码驱动电路。(2) 掌握数码管驱动级的掌握电路(也称驱动电路)有静态式和动态式两类。 静态驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器(如 BCD 码二-十进制译码器)译码驱动。图 15 是一位数码管的静态驱动之 例。图集成电路 TC5002BP 含有射极输出驱动级，所以承受共阴极数码管。A、B、C、D 端为 BCD 码(二-十进制的 8421 码)输入端，BL 为数码管熄灭及显示状态掌握端，R 为外接电阻。图 16 为 N 位数字静态驱动显示电路。 动态驱动：动态驱动是将全部数码管使用一个特地的译码驱动器，使各位数码管逐个轮番受控显示，这就是动态驱动。由于扫描速度极快。显示效果与静态驱动一样。图 17 是一种四位数字动态驱动(脉搏冲驱动)方法的线路。图中只用了一个译码驱动电路 TC5002BP。TC4508BP 含两个锁存器，每个锁存器可锁存四位二进 BCD 码，对应于四位十进制数的四组 BCD 码分别输入到四个锁存器，四个锁存器，四组 BCD 码由四个锁存器分时轮番输出进入译码器，译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端 I1I7 与输出端 Q1Q7 一一对应)。Q1Q7 分别加到四个数 码管的 ag 七个阳极上。数字驱动电路 TD62023P 是由达林顿构成的阵列电路， Q1Q4 中哪一端接地，由输入端 I1I4 的四师长“使能”信号 DS1DS4 掌握。由于四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号 DS1DS4 掌握。所以四个数码 管轮番通电显示。由于轮番显示频率较高，故显示的数字不呈闪耀现象。2. 米字管、符号管显示器米字管和符号管的构造原理相机，所以其驱动方式也根本一样，只是译码电路的译码过程与七段译码器不同。米字管可以显示包括英文字母在的多种符号。符号管主要是用来显示+、-或± 号等。3. LED 点阵式显示器LED 点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比，具有焊点少、连线少，全部亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。点阵管依据其部 LED 尺寸的大小、数量的多少及发光强度、颜色等可分为多种规格。图 18 所示是具有代表性的 P2057A 和 P2157A 两种 5 高亮度橙红色5×7 点阵组件。承受双列直插 14 脚封装，两种显示器的差异是 LED 极性不同， 如图 18 所示。该显示器用扫描驱动方式，选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源，每个 LED 的平均电流不应超过 20mA。LED 点阵管可以代替数码管、符号管和米字管。不仅可以显示数字，也可显示全部西文字母和符号。假设将多块组合，可以构成大屏幕显示屏，用于汉字、图形、图表等等的显示。被广泛用于机场、车站、码头、银行及很多公共场所的指示、说明、广告等场合。图 19 是一个 LED 点阵显示器驱动电路之例。