半导体发光二极管工作原理、特性及应用

发布时间:2008/8/30 0:00:00 访问次数:446

（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μｍ以内产生。

　　理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度ｅｇ有关，即λ≈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λ０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δλ：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θ１／２和视角：θ１／２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＜１０μａ以下。

（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、