发光二极管知识.doc

发光二极管介绍
       发光二极管简称为。由镓〔〕及砷〔〕、磷〔P〕的化合物制成的二极管，当电子及空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
       它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为。发光二极管及普通二极管一样是由一个结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴与由N区注入到P区的电子，在结附近数微米内分别及N区的电子与P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子与空穴所处的能量状态不同。当电子与空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，那么发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
       发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：
             R＝〔E－〕／
式中E为电源电压，为的正向压降，为的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
       及小白炽灯泡与氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低〔有的仅一点几伏〕；工作电流很小〔有的仅零点几毫安即可发光〕；抗冲击与抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。
发光二极管的发光原理
     发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如〔砷化镓〕、〔磷化镓〕、〔磷砷化镓〕等半导体制成的，其核心是结。因此它具有一般结的特性，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〕一局部及多数载流子〔多子〕复合而发光，如图1所示。
    假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子及价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再及空穴复合发光。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，而后再及空穴复合，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，所以光仅在靠近结面数μm以内产生。理论与实践证明，光的峰值波长λ及发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240〔〕式中的单位为电子伏特〔〕。假设能产生可见光〔波长在380紫光～780红光〕，半导体材料的应在3.26～1.63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，但其中蓝光二极管本钱、价格很高，使用不普遍。
发光二极管的检测
1．普通发光二极管的检测
〔1〕用万用表检测。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为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况，因为×10kΩ挡不能向提供较大正向电流。
如果有两块指针万用表〔最好同型号〕可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+〞接线柱及另一块表的“-〞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。正常情况下，接通后就能正常发光。假设亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω假设，假设仍很暗，甚至不发光，那么说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开场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〕可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。如果测得在1.4～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得0或≈3V，且不发光，说明发光管已坏。
2．红外发光二极管的检测
由于红外发光二极管，它发射1～3μm的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数，不同型号的红外发光强度角分布也不一样。红外的正向压降一般为1.3～2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光的检测法只能判定其结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件〔如2、2型硅光电池〕作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外加上适当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图11所示。
发光二极管的应用
        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展恰中选择。由于发光二极管具有最大正向电流、最大反向电压的限制，使用时，应保证不超过此值。为平安起见，实际电流应在0.6以下；应让可能出现的反向电压<0。6。被广泛用于种电子仪器与电子设备中，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的电流小于最大允许电流。
〔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≈〔〕；
图(b)中的R≈〔1.4〕;
图(c)中的R≈式中，——交流电压有效值。
〔3〕单电平指示电路。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的阈值电压时，才可能发光。
〔4〕单可充作低压稳压管用。由于正向导通后，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，应根据需要进展选择，如图8所示。
〔5〕电平表。目前，在音响设备中大量使用电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的，即发光的数目不同，那么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1亮，再增大2亮……。
发光二极管的特性
1．极限参数的意义
〔1〕允许功耗:允许加于两端正向直流电压及流过它的电流之积的最大值。超过此值，发热、损坏。
〔2〕最大正向直流电流：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：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: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〕光谱分布与峰值波长：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λ0的光强最大，该波长为峰值波长。
〔2〕发光强度：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〔1/683〕时，那么发光1坎德拉〔符号为〕。由于一般的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉()作单位。
〔4〕半值角θ1/2与视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向及发光轴向〔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〕的坐标为相对发光强度〔即发光强度及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：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在0.6•以下。
〔6〕正向工作电压：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 20时测得的。发光二极管正向工作电压在1.4～3V。在外界温度升高时，将下降。
〔7〕特性：发光二极管的电压及电流的关系可用图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<10μA以下。
第 7 页