LED發光二極管的工作原理應用-分類與檢測

LED發光二極管的工作原理、應用、分類及檢測

半導體發光器件包括半導體發光二極管（簡稱LED）、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發光單元都是一個發光二極管。

（一）LED發光原理

發光二極管是由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λ0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。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/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1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。

（7）V-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，有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據發光二極管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管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極管和達于做指示燈用。

2．按發光管出光面特征分

按發光管出光面特征分圓燈、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，可作局部照明光源用，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．按發光二極管的結構分

按發光二極管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×10kΩ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200kΩ,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，不能實地看到發光管的發光情況，因為×10kΩ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×10Ω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×1Ω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×1Ω，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1.4～3V之間，且發光亮度正常，可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，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1～3μm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1.3～2.5V。正是由于其發射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光電池）作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發射紅外光。其測量電路如圖11所示。

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