发光二极管的原理和应用.docx
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1、.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
2、 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
3、(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、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
5、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 0.6IFm 以下。(6) 正向工作电压 V
6、F: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 IR10A 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
7、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
8、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 520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 2045。(3) 散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为 4590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
9、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 VR0.6VRm。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
10、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
11、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
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- 发光二极管 原理 应用
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