半導體發光二極管是什么

? ? ? ? ?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。

　　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IR100mcd）;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。

　　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

　　（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……。