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1、LED基础理论知识LED 基础理论学问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差不多上一个发光二极管。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。因此它具有一样 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
2、部分与多数载流子多子复合而发光，如图 1 所示。此主题相关图片如下： 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截了当复合而发光，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那个中心介于导带、介带中间邻近捕获，而后再与空穴复合，每次开释的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相关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，因此光仅在*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g 有关，即 λ≈1240/Egmm式中
3、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，但其中蓝光二极管成本、价格特地高，运用不普遍。二LED 的特性1极限参数的意义1承诺功耗 Pm:承诺加于 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：承诺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：所承诺加的最大反向电压。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
4、作的环境温度范畴。低于或高于此温度范畴，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。 此主题相关图片如下： 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。假设在该方向上辐射强度为1/683W/sr 时，那么发光 1 坎德拉符号为 cd。由于一样 LED 的发光二强度小，因此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
5、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。此主题相关图片如下： 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形。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。由此图能够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。在实际运用中应依照须要选择 IF 在 0.6IFm 以下。6正向工作
6、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。一样是在 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。7V-I 特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图 4 表示。 此主题相关图片如下： 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 曲线能够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 IRlt;10μA 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。
7、另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。依照发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色照旧无色，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 按发光管出光面特点分按发光管出光面特点分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm 及φ20mm 等。国外通常把φ3mm 的发光二极管记作 T-1；把φ5mm 的记作 T-13/4；把φ4.4mm 的记作 T-11/4。由半值角
8、大小能够估量圆形发光强度角分布情形。从发光强度角分布图来分有三类：1高指向性。一样为尖头环氧封装，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，具有特地高的指向性，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按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。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l
9、t;10mcd；超高亮度的 LED发光强度gt;100mcd；把发光强度在10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一样 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。四LED 的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形态、发光强度及透亮情形等不同，因此运用发光二极管时应依照实际须要进行恰当选择。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，运用时，应保证不超过此值。为平安起见，实际电流 IF 应在 0.6IFm 以下；应让可能显现的反向电压 VRlt;0
10、。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 的电流小于最大承诺电流 IFm。 此主题相关图片如下： 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 R≈Vi/IF 式中，Vi沟通电压有效值。此主题相关图片如下： 3单 L
11、ED 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。此主题相关图片如下： 4单 LED 可充作低压稳压管用。由于 LED 正向导通后，电流随电压改变特地快，具有一般稳压管稳压特性。发光二极管的稳固电压在 1.43V 间，应依照须要进行选择 VF，如图 8 所示。5电平表。目前，在音响设备中大量运用 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，那么表示输出电平的改变。图 9 是由 5 只发光二极管构成的电平表。当输入信号电
12、平特地低时，全不发光。输入信号电平增大时，第一 LED1 亮，再增大 LED2 亮。 此主题相关图片如下： 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×10kΩ挡的指针式万用表能够大致判定发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至 200kΩ,反向电阻的值为∝。假如正向电阻值为 0 或为∞，反向电阻值特地小或为 0，那么易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情形，因为×10kΩ挡不能向 LED 供应较大正向电流。假如有两块指针万用表最好同型号能够较好地检查发光二极管的发光情
13、形。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×10Ω挡。正常情形下，接通后就能正常发光。假设亮度特地低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω假设，假设仍特地暗，甚至不发光，那么说明该发光二极管性能不良或损坏。应留意，不能一起先测量就将两块万用表置于×1Ω，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能够较精确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图 10
14、所示连接电路即可。假如测得 VF 在 1.43V 之间，且发光亮度正常，能够说明发光正常。假如测得 VF=0 或 VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。 此主题相关图片如下： 2红外发光二极管的检测由于红外发光二极管，它放射 13μm 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相同。红外 LED 的正向压降一样为 1.32.5V。正是由于其放射的红外光人眼看不见，因此利用上述可见光 LED 的检测法只能判定其 PN 结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情形正常否。为此，最好预备一只光敏器件如 2CR、2
15、DR 型硅光电池作接收器。用万用表测光电池两端电压的改变情形。来判定红外 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。此主题相关图片如下： 二、LED 显示器结构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结构。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能够组成数码管、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 显示器结构差不多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。其详细结构有反射罩式、条形七段式及单
16、片集成式多位数字式等。此主题相关图片如下： 1反射罩式数码管一样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的确是 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φ30μm 的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，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。实封方式接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，为提高器件的可*性，必需在芯片和底板上涂以透亮绝缘胶，这还能够提高光
17、效率。这种方式一样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，划成内含一只或数只 LED 发光条，然后把同样的七条粘在日字形可伐框上，用压焊工艺连好内引线，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外表中。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接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：
18、笔画显示器字高最小有 1mm单片集成式多位数码管字高一样在 23mm。其他类型笔画 显示器最高可达 12.7mm0.5 英寸甚至达数百 mm。2按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。3按结构分，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 为基础的，因此它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于 LED 显示器内含多个发光二极管，因此需有如下特地参数：1发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，因此各段发光强度不同。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。比值能够在 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，那么在脉冲下，正向电流能够远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流能够越大。四LED 显示器的应用指南1七段数码显示器1假如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结构，如图 14a所示。假如数码管为共阴极形式，它的驱动.