LED基本理论知识(上)

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<div id="Content">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&mu;m以内产生。
        理论和实践证明，光的峰值波长&lambda;与发光区域的半导体材料禁带宽 度Ｅg有关，即
&lambda;&asymp;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。
（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。

        由图可见，该发光管所发之光中某一波长&lambda;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。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&Delta;&lambda;: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&theta;1/2和视角：&theta;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。  

        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IR<10&mu;A以下。
<strong>（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含二种或三种颜色的芯片。
    根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明、无色透明、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、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为&phi;2mm、&phi;4.4mm、&phi;5mm、&phi;8mm、&phi;10mm及&phi;20mm等。国外通常把&phi;3mm的发光二极管记作T-1；把&phi;5mm的记作T-1（3/4）；把&phi;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：
<p>    （1）高[table]            [tr]            [td]            <div id="AdvertisemantBar1">