半导体发光二极管的工作原理以及应用

来源:网络整理 作者:2017年06月01日 16:52
[导读] 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ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
关键词:二极管

   半导体发光二极管是什么

         发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ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,在一定条件下,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)一部分与多数载流子(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、介带中间附近)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。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

  理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即

  λ≈1240/Eg(mm)

  式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV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,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。

  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范围。低于或高于此温度范围,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。

  半导体发光二极管的工作原理以及应用

  由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0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。若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Δλ: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θ1/2和视角:θ1/2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)。

  半导体发光二极管的工作原理以及应用

  图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。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)。显然,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。在实际使用中应根据需要选择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1.4~3V。在外界温度升高时,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。

  半导体发光二极管的工作原理以及应用

  在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR100mcd);把发光强度在10~100mcd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(亮度与普通发光管相同)。

  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。

  LED的应用

  由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同,所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。

  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;应让可能出现的反向电压VR

  

  (2)图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。

  图(a)中的电阻≈(E-VF)/IF;

  图(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF;

  图(c)中的R≈Vi/IF

  式中,Vi——交流电压有效值。

  半导体发光二极管的工作原理以及应用

  (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。

  半导体发光二极管的工作原理以及应用

  (4)单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后,电流随电压变化非常快,具有普通稳压管稳压特性。发光二极管的稳定电压在1.4~3V间,应根据需要进行选择VF,如图8所示。

  (5)电平表。目前,在音响设备中大量使用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……。

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