【發光二極管參數】LED發光二極管工作原理 發光二極管的作用

半導體發光器件包括半導體發光二極管（簡稱LED）、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發光單元都是一個發光二極管。

一、半導體發光二極管工作原理、特性及應用

（一）LED發光原理

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。

（二）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IR<10μA以下。

（三）LED的分類

1、按發光管發光顏色分

按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據發光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極管和達于做指示燈用。

2、按發光管出光面特征分

按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。

圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計圓形發光強度角分布情況。從發光強度角分布圖來分 有三類：

（1）高指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

3、按發光二極管的結構分

按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封 裝等結構。

4、按發光強度和工作電流分

按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發光強度>100mcd）；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。

（四）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<0。6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設備中,可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。

（1）利用高亮度或超高亮度發光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應保證電源電壓最高時應使LED的電流小于最大允許電流IFm。

（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……。

（五）發光二極管的檢測

1、普通發光二極管的檢測

（1）用萬用表檢測

利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞，反向電阻值很小或為0，則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發光管的發光情況，因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。

如果有兩塊指針萬用表（最好同型號）可以較好地檢查發光二極管的發光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發光管的正極（P區），余下的“+”筆接被測發光管的負極（N區）。兩塊萬用表均置×10Ω擋。

正常情況下，接通后就能正常發光。若亮度很低，甚至不發光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發光，則說明該發光二極管性能不良或損壞。應注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1Ω，以免電流過大，損壞發光二極管。

（2）外接電源測量

用3V穩壓源或兩節串聯的干電池及萬用表（指針式或數字式皆可）可以較準確測量發光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.4～3V之間，且發光亮度正常，可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，且不發光，說明發光管已壞。

2、紅外發光二極管的檢測

由于紅外發光二極管，它發射1～3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發光二極管發射功率只有數mW，不同型號的紅外LED發光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3～2.5V。正是由于其發射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光電池）作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發射紅外光。其測量電路如圖11所示。

二、LED發光二極管并檔使用

在LED的應用領域中，經常會遇到幾顆LED同時并聯使用的情況，由于LED自身電壓、波長、亮度的不一致，許多顆二極管并聯在一起使用會有顏色不一致，亮度明暗不一樣等情況，故在使用時需考慮如下原則，以免造成使用效果不理想：

在同一個產品中，盡可能使用同一個檔次的產品，若不能滿足則考慮下述幾條

同一產品中，保持LED的電壓(Vf)一致的前提下，考慮同一波長，相鄰亮度檔的產品,如藍色有343#、443#、543#、533#、433#，若用443#的不夠時，則并用543#或343#。

視客戶產品的質量狀況，原則上同一產品，盡可能不要跨檔；如343#與543#盡可能不要用在同一產品上。

如第2條仍無法滿足的前提下，則考慮LED電壓相同、波長相鄰、亮度相鄰/同第2條舉例雷同。

僅串聯線路則重點考慮以波長一致，電壓一致之先后順序考慮。

在產品使用需多個排列時，不同產品則重點考慮波長一致，亮度一致的先后順序排列。

我司產品在發貨時均是采用自動分光機來分光、分色、分電壓，一般同一包裝袋內均為同一個檔次之產品。

以上僅為LED并檔使用的推薦辦法，在實際生產中，用戶則可以根據自己產品的特點進行相應的調整或以其它的辦法使用。

三、應用常識

LED焊接條件

（1）烙鐵焊接：烙鐵（最高30W）尖端溫度不超過300℃；焊接時間不超過3秒；焊接位置至少離膠體2毫米。

（2）波峰焊：浸焊最高溫度260℃；浸焊時間不超過5秒；浸焊位置至少離膠體2毫米。

引腳成形方法

（1）必需離膠體2毫米才能折彎支架。

（2）支架成形必須用夾具或由專業人員來完成。

（3）支架成形必須在焊接前完成。

（4）支架成形需保證引腳和間距與線路板上一致。

四、清洗

當用化學品清洗膠體時必須特別小心，因為有些化學品對膠體表面有損傷并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等。可用乙醇擦拭、浸漬，時間在常溫下不超過3分鐘。

五、靜電防護

靜電和電流的急劇升高將會對LED產生損害，InGaN系列產品使用時請使用防靜電裝置，如防護帶和手套。

注意：使用時人體放電模式HBM<1000V；機器放電模式<100V。