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1、LED基本理论知识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
2、而发光，如图1所示。 此主题相关关图片如如下：假设发光是是在P区区中发生生的，那那么注入入的电子子与价带带空穴直直接复合合而发光光，或者者先被发发光中心心捕获后后，再与与空穴复复合发光光。除了了这种发发光复合合外，还还有些电电子被非非发光中中心（这这个中心心介于导导带、介介带中间间附近）捕捕获，而而后再与与空穴复复合，每每次释放放的能量量不大，不不能形成成可见光光。发光光的复合合量相对对于非发发光复合合量的比比例越大大，光量量子效率率越高。由由于复合合是在少少子扩散散区内发发光的，所所以光仅仅在*近近PN结结面数m以内内产生。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g有关，即
3、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3.261.63eV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
4、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。此主题相关关图片如如下：由图可见，该该发光管管所发之之光中某某一波长长0的光光强最大大，该波波长为峰峰值波长长。（22）发光光强度IIV：发发光二极极管的发发光强度度通常是是指法线线（对圆圆柱形发发光管是是指其轴轴线）方方向上的的发光强强度。若若在该方方向上辐辐射强度度为（11/6883）WW/srr时，则则发光11坎德拉拉（符号号为cdd）。由由于一般般LEDD的发光光二强度度小，所所以发光光强度常
5、常用坎德德拉(mmcd)作单位位。（33）光谱谱半宽度度:它它表示发发光管的的光谱纯纯度.是是指图33中1/2峰值值光强所所对应两两波长之之间隔.（4）半半值角1/22和视角角：1/22是指发发光强度度值为轴轴向强度度值一半半的方向向与发光光轴向（法法向）的的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。 此主题相关关图片如如下：图3给出的的二只不不同型号号发光二二极管发发光强度度角分布布的情况况。中垂垂线（法法线）AAO的坐坐标为相相对发光光强度（即即发光强强度与最最大发光光强度的的之比）。显显然，法法线方向向上的相相对发光光强度为为1，离离开法线线方向的的角度越越大，相相对发光光强度越越小。由
6、由此图可可以得到到半值角角或视角角值。（55）正向向工作电电流Iff：它是是指发光光二极管管正常发发光时的的正向电电流值。在在实际使使用中应应根据需需要选择择IF在在0.66IFmm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。 此主题相关关图片如如下：在正向电压压正小于于某一值值（叫阈阈值）时时，电流流极小，不不发光。当当电压超超过某一一值后，正正向电流流随电压压迅速增增加，发发光。由由V-II曲线
7、可可以得出出发光管管的正向向电压，反反向电流流及反向向电压等等参数。正正向的发发光管反反向漏电电流IRR100A以下下。（三三）LEED的分分类1 按发发光管发发光颜色色分按发发光管发发光颜色色分，可可分成红红色、橙橙色、绿绿色（又又细分黄黄绿、标标准绿和和纯绿）、蓝蓝光等。另另外，有有的发光光二极管管中包含含二种或或三种颜颜色的芯芯片。根根据发光光二极管管出光处处掺或不不掺散射射剂、有有色还是是无色，上上述各种种颜色的的发光二二极管还还可分成成有色透透明、无无色透明明、有色色散射和和无色散散射四种种类型。散散射型发发光二极极管和达达于做指指示灯用用。2 按发发光管出出光面特特征分按按发光管管
8、出光面面特征分分圆灯、方方灯、矩矩形、面面发光管管、侧向向管、表表面安装装用微型型管等。圆圆形灯按按直径分分为2mmm、4.44mm、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计圆形发光强度角分布情况。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
9、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普通亮度的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。（四）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
10、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。此主题相关关图片如如下：（2）图66(a)、(bb)、(c)分分别为直直流电源源、整流流电源及及交流电电源指示示电路。图(a)中的电阻（E-VF）/IF；图(b)中
11、的R（1.4Vi-VF）/IF;图(c)中的RVi/IF式中，Vi交流电压有效值。 此主题相关关图片如如下：（3）单LLED电电平指示示电路。在在放大器器、振荡荡器或脉脉冲数字字电路的的输出端端，可用用LEDD表示输输出信号号是否正正常，如如图7所所示。RR为限流流电阻。只只有当输输出电压压大于LLED的的阈值电电压时，LLED才才可能发发光。 此主题相关关图片如如下：（4）单LLED可可充作低低压稳压压管用。由由于LEED正向向导通后后，电流流随电压压变化非非常快，具具有普通通稳压管管稳压特特性。发发光二极极管的稳稳定电压压在1.433V间，应应根据需需要进行行选择VVF，如如图8所所示。（
12、55）电平平表。目目前，在在音响设设备中大大量使用用LEDD电平表表。它是是利用多多只发光光管指示示输出信信号电平平的，即即发光的的LEDD数目不不同，则则表示输输出电平平的变化化。图99是由55只发光光二极管管构成的的电平表表。当输输入信号号电平很很低时，全全不发光光。输入入信号电电平增大大时，首首先LEED1亮亮，再增增大LEED2亮亮。 此主题相关关图片如如下：五）发光二二极管的的检测11普通通发光二二极管的的检测（11）用万万用表检检测。利利用具有有10kk挡的指指针式万万用表可可以大致致判断发发光二极极管的好好坏。正正常时，二二极管正正向电阻阻阻值为为几十至至2000k,反向向电阻的
13、的值为。如果果正向电电阻值为为0或为为，反向向电阻值值很小或或为0，则则易损坏坏。这种种检测方方法，不不能实地地看到发发光管的的发光情情况，因因为10kk挡不能能向LEED提供供较大正正向电流流。如果果有两块块指针万万用表（最最好同型型号）可可以较好好地检查查发光二二极管的的发光情情况。用用一根导导线将其其中一块块万用表表的“+”接线柱柱与另一一块表的的“-”接线柱柱连接。余余下的“-”笔接被被测发光光管的正正极（PP区），余余下的“+”笔接被被测发光光管的负负极（NN区）。两两块万用用表均置置10挡。正正常情况况下，接接通后就就能正常常发光。若若亮度很很低，甚甚至不发发光，可可将两块块万用表
14、表均拨至至1若，若若仍很暗暗，甚至至不发光光，则说说明该发发光二极极管性能能不良或或损坏。应应注意，不不能一开开始测量量就将两两块万用用表置于于1，以免免电流过过大，损损坏发光光二极管管。（22）外接接电源测测量。用用3V稳稳压源或或两节串串联的干干电池及及万用表表（指针针式或数数字式皆皆可）可可以较准准确测量量发光二二极管的的光、电电特性。为为此可按按图100所示连连接电路路即可。如如果测得得VF在在1.443VV之间，且且发光亮亮度正常常，可以以说明发发光正常常。如果果测得VVF=00或VFF3V，且且不发光光，说明明发光管管已坏。 此主题相关关图片如如下：2红外发发光二极极管的检检测由于
15、于红外发发光二极极管，它它发射113m的红红外光，人人眼看不不到。通通常单只只红外发发光二极极管发射射功率只只有数mmW，不不同型号号的红外外LEDD发光强强度角分分布也不不相同。红红外LEED的正正向压降降一般为为1.332.5V。正正是由于于其发射射的红外外光人眼眼看不见见，所以以利用上上述可见见光LEED的检检测法只只能判定定其PNN结正、反反向电学学特性是是否正常常，而无无法判定定其发光光情况正正常否。为为此，最最好准备备一只光光敏器件件（如22CR、22DR型型硅光电电池）作作接收器器。用万万用表测测光电池池两端电电压的变变化情况况。来判判断红外外LEDD加上适适当正向向电流后后是否
16、发发射红外外光。其其测量电电路如图图11所所示。 此主题相关关图片如如下：二、LEDD显示器器结构及及分类通过发光二二极管芯芯片的适适当连接接（包括括串联和和并联）和和适当的的光学结结构。可可构成发发光显示示器的发发光段或或发光点点。由这这些发光光段或发发光点可可以组成成数码管管、符号号管、米米字管、矩矩阵管、电电平显示示器管等等等。通通常把数数码管、符符号管、米米字管共共称笔画画显示器器，而把把笔画显显示器和和矩阵管管统称为为字符显显示器。（一）LEED显示示器结构构基本的半导导体数码码管是由由七个条条状发光光二极管管芯片按按图122排列而而成的。可可实现009的的显示。其其具体结结构有“反
17、射罩罩式”、“条形七七段式”及“单片集集成式多多位数字字式”等。 此主题相关关图片如如下：1）反射罩罩式数码码管一般般用白色色塑料做做成带反反射腔的的七段式式外壳，将将单个LLED贴贴在与反反射罩的的七个反反射腔互互相对位位的印刷刷电路板板上，每每个反射射腔底部部的中心心位置就就是LEED芯片片。在装装反射罩罩前，用用压焊方方法在芯芯片和印印刷电路路上相应应金属条条之间连连好30m的硅硅铝丝或或金属引引线，在在反射罩罩内滴入入环氧树树脂，再再把带有有芯片的的印刷电电路板与与反射罩罩对位粘粘合，然然后固化化。反射罩式数数码管的的封装方方式有空空封和实实封两种种。实封封方式采采用散射射剂和染染料的
18、环环氧树脂脂，较多多地用于于一位或或双位器器件。空空封方式式是在上上方盖上上滤波片片和匀光光膜，为为提高器器件的可可*性，必必须在芯芯片和底底板上涂涂以透明明绝缘胶胶，这还还可以提提高光效效率。这这种方式式一般用用于四位位以上的的数字显显示（或或符号显显示）。（2）条形形七段式式数码管管属于混混合封装装形式。它它是把做做好管芯芯的磷化化镓或磷磷化镓圆圆片，划划成内含含一只或或数只LLED发发光条，然然后把同同样的七七条粘在在日字形形“可伐”框上，用用压焊工工艺连好好内引线线，再用用环氧树树脂包封封起来。（3）单片片集成式式多位数数字显示示器是在在发光材材料基片片上（大大圆片），利利用集成成电路
19、工工艺制作作出大量量七段数数字显示示图形，通通过划片片把合格格芯片选选出，对对位贴在在印刷电电路板上上，用压压焊工艺艺引出引引线，再再在上面面盖上“鱼眼透透镜”外壳。它它们适用用于小型型数字仪仪表中。（4）符号号管、米米字管的的制作方方式与数数码管类类似。（5）矩阵阵管（发发光二极极管点阵阵）也可可采用类类似于单单片集成成式多位位数字显显示器工工艺方法法制作。（二）LEED显示示器分类类（1）按字字高分：笔画显显示器字字高最小小有1mmm（单单片集成成式多位位数码管管字高一一般在223mmm）。其其他类型型笔画显示示器最高高可达112.77mm（00.5英英寸）甚甚至达数数百mmm。（2）按颜
20、颜色分有有红、橙橙、黄、绿绿等数种种。（3）按结结构分，有有反射罩罩式、单单条七段段式及单单片集成成式。（4）从各各发光段段电极连连接方式式分有共共阳极和和共阴极极两种。所谓共阳方方式是指指笔画显显示器各各段发光光管的阳阳极（即即P区）是是公共的的，而阴阴极互相相隔离。所谓共阴方方式是笔笔画显示示器各段段发光管管的阴极极（即NN区）是是公共的的，而阳阳极是互互相隔离离的。如如图133所示。 （三）LEED显示示器的参参数由于LEDD显示器器是以LLED为为基础的的，所以以它的光光、电特特性及极极限参数数意义大大部分与与发光二二极管的的相同。但但由于LLED显显示器内内含多个个发光二二极管，所所
21、以需有有如下特特殊参数数：1发光强强度比由于数码管管各段在在同样的的驱动电电压时，各各段正向向电流不不相同，所所以各段段发光强强度不同同。所有有段的发发光强度度值中最最大值与与最小值值之比为为发光强强度比。比比值可以以在1.522.3间间，最大大不能超超过2.5。2脉冲正正向电流流若笔画显示示器每段段典型正正向直流流工作电电流为IIF，则则在脉冲冲下，正正向电流流可以远远大于IIF。脉脉冲占空空比越小小，脉冲冲正向电电流可以以越大。（四）LEED显示示器的应应用指南南1七段数数码显示示器（1）如果果数码宇宇航局为为共阳极极形式，那那么它的的驱动级级应为集集电极开开路（OOC）结结构，如如图14
22、4（a）所所示。如果数码管管为共阴阴极形式式，它的的驱动级级应为射射极输出出或源极极输出电电路，如如图144(b)所示。 此主题相关关图片如如下：例如国产TTTL集集成电路路CT110499、CTT40449为集集电极开开路形式式七段字字形译码码驱动电电路；而而CMOOS集成成电路CCC45511为为源极输输出七段段锁存、译译码驱动动电路。（2）控制制数码管管驱动级级的控制制电路（也也称驱动动电路）有有静态式式和动态态式两类类。 静态驱驱动：静静态驱动动也称直直流驱动动。静态态驱动是是指每个个数码管管各用一一个笔画画译码器器（如BBCD码码二-十十进制译译码器）译译码驱动动。图115是一一位数
23、码码管的静静态驱动动之例。图图集成电电路TCC50002BPP内含有有射极输输出驱动动级，所所以采用用共阴极极数码管管。A、BB、C、DD端为BBCD码码（二-十进制制的84421码码）输入入端，BBL为数数码管熄熄灭及显显示状态态控制端端，R为为外接电电阻。 此主题相关关图片如如下：图16为NN位数字字静态驱驱动显示示电路。 此主题相关关图片如如下： 动态驱驱动：动动态驱动动是将所所有数码码管使用用一个专专门的译译码驱动动器，使使各位数数码管逐逐个轮流流受控显显示，这这就是动动态驱动动。由于于扫描速速度极快快。显示示效果与与静态驱驱动相同同。图117是一一种四位位数字动动态驱动动（脉搏搏冲驱
24、动动）方法法的线路路。图中中只用了了一个译译码驱动动电路TTC50002BBP。此主题相关关图片如如下：TC45008BPP内含两两个锁存存器，每每个锁存存器可锁锁存四位位二进BBCD码码，对应应于四位位十进制制数的四四组BCCD码分分别输入入到四个个锁存器器，四个个锁存器器，四组组BCDD码由四四个锁存存器分时时轮流输输出进入入译码器器，译码码后进入入数码管管驱动级级集成电电路TDD625505PP（输入入端I11I77与输出出端Q11Q77一一对对应）。QQ1QQ7分别别加到四四个数码码管的aag七七个阳极极上。数数字驱动动电路TTD6220033P是由由达林顿顿构成的的阵列电电路，QQ1
25、QQ4中哪哪一端接接地，由由输入端端I1I4的的四师长长“使能”信号DDS1DS44控制。由由于四个个锁存器器的轮换换输出也也是受“使能”信号DDS1DS44控制。所所以四个个数码管管轮流通通电显示示。由于于轮流显显示频率率较高，故故显示的的数字不不呈闪烁烁现象。2米字管管、符号号管显示示器米字管和符符号管的的结构原原理相机机，所以以其驱动动方式也也基本相相同，只只是译码码电路的的译码过过程与七七段译码码器不同同。米字管可以以显示包包括英文文字母在在内的多多种符号号。符号号管主要要是用来来显示+、-或或号等。3LEDD点阵式式显示器器LED点阵阵式显示示器与由由单个发发光二极极管连成成的显示示
26、器相比比，具有有焊点少少、连线线少，所所有亮点点在同平平面、亮亮度均匀匀、外形形美观等等优点。点阵管根据据其内部部LEDD尺寸的的大小、数数量的多多少及发发光强度度、颜色色等可分分为多种种规格。图图18所所示是具具有代表表性的PP20557A和和P21157AA两种5高亮亮度橙红红色57点阵阵组件。采采用双列列直插114脚封封装，两两种显示示器的差差别是LLED极极性不同同，如图图18所所示。 此主题相关关图片如如下：该显示器用用扫描驱驱动方式式，选择择较大峰峰值电流流和窄脉脉冲作驱驱动源，每每个LEED的平平均电流流不应超超过200mA。LED点阵阵管可以以代替数数码管、符符号管和和米字管管。不仅仅可以显显示数字字，也可可显示所所有西文文字母和和符号。如如果将多多块组合合，可以以构成大大屏幕显显示屏，用用于汉字字、图形形、图表表等等的的显示。被被广泛用用于机场场、车站站、码头头、银行行及许多多公共场场所的指指示、说说明、广广告等场场合。图19是一一个LEED点阵阵显示器器驱动电电路之例例。此主题相关关图片如如下：