LED的结构及发光原理.docx

资源描述

LED的结构及发光原理.docx

《LED的结构及发光原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED的结构及发光原理.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

LED的结构及发光原理.docx

LED的结构及发光原理

　　50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的大体知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的大体结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后周围用环氧树脂密封，起到内部芯线的作用，因此LED的抗震性能好。

　　发光二极管的核心部份是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两头加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

LED光源的特点

　　1.电压：

LED利用低压，供电电压在6-24V之间，依照产品不同而异，因此它是一个比利用更平安的，专门适用于公开场合。

　　2.效能：

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

　　3.适用性：

很小，每一个单元LED小片是3-5mm的正方形，因此能够制备成各类形状的器件，而且适合于易变的环境。

　　4.稳固性：

10万小时，光衰为初始的50%。

　　5.响应时刻：

其白炽灯的响应时刻为毫秒级，LED灯的响应时刻为纳秒级。

　　6.对环境污染：

无有害金属汞。

　　7.颜色：

改变电流能够变色，发光二极管方便地通过化学修饰方式，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。

如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，能够依次变成橙色，黄色，最后为绿色。

　　8.价钱：

LED的价钱比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价钱就能够够与一只白炽灯的价钱相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管组成。

三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功，为了帮助读者迅速掌握测判方法，笔者总结出四句口诀：

“三颠倒，找基极；pn结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。

”下面让我们逐句进行解释吧。

一、三颠倒，找基极大家知道，三极管是含有两个pn结的半导体器件。

根据两个pn结连接方式不同，可以分为npn型和pnp型两种不同导电类型的三极管，测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择r×100或r×1k挡位。

假定我们并不知道被测三极管是npn型还是pnp型，也分不清各管脚是什么电极。

测试的第一步是判断哪个管脚是基极。

这时，我们任取两个电极（如这两个电极为1、2），用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。

在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：

即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。

二、pn结，定管型找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间pn结的方向来确定管子的导电类型。

将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为npn型管；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为pnp型。

三、顺箭头，偏转大找出了基极b，另外两个电极哪个是集电极c，哪个是发射极e呢?

这时我们可以用测穿透电流iceo的方法确定集电极c和发射极e。

（1）对于npn型三极管，穿透电流的测量电路如图3所示。

根据这个原理，用万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻rce和rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：

黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致（“顺箭头”），所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。

（2）对于pnp型的三极管，道理也类似于npn型，其电流流向一定是：

黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c。

四、测不出，动嘴巴若在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，若由于颠倒前后的两次测量指针偏转均太小难以区分时，就要“动嘴巴”了。

具体方法是：

在“顺箭头，偏转大”的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部，用嘴巴含住（或用舌头抵住）基电极b，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分开集电极c与发射极e。

其中人体起到直流偏置电阻的作用，目的是使效果更加明显。

单色光LED的种类及其进展历史

　　最先应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

那时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约流明/瓦。

　　70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

　　到了80年代初，显现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

　　90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效取得大幅度的提高。

在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效能够达到50流明/瓦。

单色光LED的应用

　　最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各类光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中取得了普遍应用，产生了专门好的经济效益和社会效益。

以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采纳长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。

经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。

而在新设计的灯中，Lumileds公司采纳了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生一样的光效。

　　汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），能够及早让尾随车辆的司机明白行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

　　另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都取得了应用。

电阻器

在电子电路中，为了控制电压和电流，需要用到电阻器。

电阻器通常叫做电阻。

电阻器的种类很多，从结构形式来分，有固定电阻、可变电阻和电位器三种。

在电路中，电阻器的符号如图1所示。

图1

1.常用电阻的结构和特点。

常用电阻有碳膜电阻、碳质电阻、金属膜电阻、线绕电阻和电位器等。

表1是几种常用电阻的结构和特点。

表1几种常用电阻的结构和特点

电阻种类

电阻结构和特点

碳膜电阻

气态碳氢化合物在高温和真空中分解，碳沉积在瓷棒或者瓷管上，形成一层结晶碳膜。

改变碳膜厚度和用刻槽的方法变更碳膜的长度，可以得到不同的阻值。

碳膜电阻成本较低，性能一般。

金属膜电阻

在真空中加热合金，合金蒸发，使瓷棒表面形成一层导电金属膜。

刻槽和改变金属膜厚度可以控制阻值。

这种电阻和碳膜电阻相比，体积小、噪声低、稳定性好，但成本较高。

碳质电阻

把碳黑、树脂、粘土等混合物压制后经过热处理制成。

在电阻上用色环表示它的阻值。

这种电阻成本低，阻值范围宽，但性能差，很小采用。

线绕电阻

用康铜或者镍铬合金电阻丝，在陶瓷骨架上绕制成。

这种电阻分固定和可变两种。

它的特点是工作稳定，耐热性能好，误差范围小，适用于大功率的场合，额定功率一般在1瓦以上。

碳膜电位器

它的电阻体是在马蹄形的纸胶板上涂上一层碳膜制成。

它的阻值变化和中间触头位置的关系有直线式、对数式和指数式三种。

碳膜电位器有大型、小型、微型几种，有的和开关一起组成带开关电位器。

还有一种直滑式碳膜电位器，它是靠滑动杆在碳膜上滑动来改变阻值的。

这种电位器调节方便。

线绕电位器

用电阻丝在环状骨架上绕制成。

它的特点是阻值范围小，功率较大。

2.标称阻值和允许误差。

大多数电阻上，都标有电阻的数值，这就是电阻的标称阻值。

电阻的标称阻值，往往和它的实际阻值不完全相符。

有的阻值大一些，有的阻值小一些。

电阻的实际阻值和标称阻值的偏差，除以标称阻值所得的百分数，叫做电阻的误差。

表2是常用电阻允许误差的等级。

LED灯及其发光原理

一、LED的结构及发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的大体知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED结构图如以下图所示

发光二极管的核心部份是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

　　二、LED光源的特点

1.电压：

LED利用低压，供电电压在6-24V之间，依照产品不同而异，因此它是一个比利用更平安的，专门适用于公开场合。

2.效能：

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

3.适用性：

很小，每一个单元LED小片是3-5mm的正方形，因此能够制备成各类形状的器件，而且适合于易变的环境

4.稳固性：

10万小时，光衰为初始的50%

5.响应时刻：

其白炽灯的响应时刻为毫秒级，LED灯的响应时刻为纳秒级

6.对环境污染：

无有害金属汞

7.颜色：

改变电流能够变色，发光二极管方便地通过化学修饰方式，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。

如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，能够依次变成橙色，黄色，最后为绿色

8.价钱：

LED的价钱比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价钱就能够够与一只白炽灯的价钱相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管组成。

　　三、单色光LED的种类及其进展历史

最先应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

那时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，显现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效取得大幅度的提高。

在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效能够达到50流明/瓦。

　　四、单色光LED的应用

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各类光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中取得了普遍应用，产生了专门好的经济效益和社会效益。

以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采纳长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。

经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。

而在新设计的灯中，Lumileds公司采纳了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生一样的光效。

汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），能够及早让尾随车辆的司机明白行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都取得了应用。

五、白光LED的开发

关于一样照明而言，人们更需要白色的光源。

1998年发白光的LED开发成功。

这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一路做成。

GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。

蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。

LED基片发出的蓝光部份被荧光粉吸收，另一部份蓝光与荧光粉发出的黄光混合，能够取得得白光。

此刻，关于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调剂荧光粉层的厚度，能够取得色温3500-10000K的各色白光。

（如以下图所示）

表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。

目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日今日亚公司的入口，价钱在2000元/千克；第二种是日本住友亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，只是发光效率较差。

从表中也能够看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：

即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在以后较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加三颜色荧光粉，用于封装LED白光，估量三波长白光LED今年有商品化的机机遇。

但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳固性要求也高，具体应用方面还在探讨当中。

　表一白色LED的种类和原理

芯片数

激发源

发光材料

发光原理

蓝色LED

InGaN/YAG

InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光

蓝色LED

InGaN/荧光粉

InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光

蓝色LED

ZnSe

由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光

紫外LED

InGaN/荧光粉

InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光

蓝色LED

黄绿LED

InGaN、GaP

将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED

蓝色LED

绿色LED

红色LED

InGaN

AlInGaP

将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED

多个

多种光色的LED

InGaN、GaP

AlInGaP

将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED

采纳LED光源进行照明，第一取代耗电的白炽灯，然后慢慢向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。

近期，白色LED已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的有效性。

表二和表三列出了白色LED的效能进展。

表二单颗白色LED的效能进展

年份

发光效能（流明/瓦）

备注

1998

199

相若白炽灯

2001

相若卤钨灯

2005

估计

表三久远进展目标

单颗白色LED

输入功率

10瓦

发光效能

100流明/瓦

输出光能

1000流明/瓦

六、业界概况　　在LED业者中，日亚化学是最先运用上述技术工昭蟹⒊霾煌ǔさ母吡炼?

/SPAN>LED，和蓝紫光半导体激光（LaserDiode；LD），是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。

在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多大体专利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，用意独占市场，使得蓝光LED价钱昂贵。

但其他已具有生产能力的业者相当不以为然，部份日系LED业者以为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，慢慢被欧美及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严峻损害。

因此许多业者便想方设法进行蓝光LED的研发生产。

目前除日亚化学和住友外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全世界3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗和HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对增进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了踊跃的增进作用。

七、LED和常见光源的性能比较

名称

耗电量（W）

工作电压（v）

协调控制

发热量

可靠性

使用寿命（h）

金属卤素灯

100

220

不易

极高

低

3000

霓虹灯

500

较高

高

宜室内

3000

镁氖灯

16W/m

220

较好

较高

较好

6000

日光灯

4-100

220

不易

较高

低

5000-8000

冷阴极

15W/m

需逆变

较好

较低

较好

10000

钨丝灯

15-200

220

不宜

高

低

3000

灯

3-150

220

不宜调光

低

5000

LED灯

极低

直流12-36V（可用220V）

多种形式

极低

极高

10万

串联谐振实验装置在电缆耐压实验中的应用

[摘要]分析了目前国内在XLPE交联电缆交接实验中存在的问题，从设备和标准上论述了变频谐振装置在进行电力电缆现场交流耐压的可行性。

[关键词]XLPE电缆直流耐压实验交流耐压实验

1问题的提出

问题及现状

最近几年来随着城网改造工程的实施，交联电缆开始大量利用。

依照IEC840或CIGRE3建议规程，现场实验的目的不是为了查验电缆的制造质量或电缆附件的制造质量的好坏，其制造质量已在型式实验和出厂实验中证明。

现场完工验收实验的目的是检查电缆的敷设、附件的安装是不是正确及电缆在运输、搬运、寄存、敷设和回填的进程中，是不是有受到意外损害。

在交联电缆投运前的实验手腕上由于被试容量大和实验设备的缘故，很长时刻以来，仍沿袭利用直流耐压的实验方式，但存在很多缺点。

因此，利用非直流的方式对交联电缆进行耐压实验就愈来愈受到人们的重视。

标准问题

由于设备容量和体积等问题，目前国家尚无电力电缆敷设后在现场进行交流耐压实验的相应标准。

CIGRI国际大电网工作会议21工作组的《挤包绝缘电缆完工验收实验建议导那么》中对目前采纳的直流耐压实验方式提出疑议，并推荐利用工频及近似工频（30～300Hz）的交流实验方式。

IEC60840标准中在45～150kV敷设后电缆实验标准中除原直流实验标准外，增加了5min或1U024h的交流实验标准。

而在220kV品级中IEC62067/CD草案中那么取消了电缆敷设后实验中直流实验的标准，只有交流实验的要求，即20～300Hz

U060min。

南方电网公司2004年发布的企业标准之《电力设备预防性实验规程》内容中在XLPE电缆主绝缘耐压实验一项中规定了电缆的交流耐压实验标准，其实验频率推荐为20～300Hz，35kV及以下电缆实验电压为倍的相电压，110kV电缆实验电压为倍的相电压，220kV及以上电缆实验电压为倍的相电压。

2交流耐压实验方式的选择

超低频耐压实验

因被试XLPE电缆的电容量专门大，工频实验时所需实验变压器的容量也要专门大，致使实验设备笨重而不适于现场利用。

采纳作为实验，理论上能够将实验变压器的容量降低到1/500，实验变压器的重量可大大降低，能够较容易地移动到现场进行实验。

目前，此种方式要紧应用于中低压电缆的实验，由于实验条件的真实性毕竟不如近工频交流电压，电压品级偏低，还不能用于110kV及以上的电缆实验。

振荡电压实验

振荡电压实验是用直流给电缆充电，当达到实验电压后使放电间隙击穿而通过电感线圈放电，对电缆施加必然电压幅位、频率为kHz级的衰减振荡波电压作为挤包绝缘电缆线路的完工实验方式的另一种途径。

此种方式比直流耐压实验方式有效，但与工频电压实验相较，其检查电缆主绝缘和附件缺点的成效仍不睬想，一是波的衰减厉害，难以知足长电缆的需要；二是使局放增大，对电缆有较大损害。

谐振耐压实验

谐振耐压实验方式是通过改变实验系统的电感量和实验频率，使回路处于谐振状态，如此实验回路中试品上的大部份容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，供给的能量仅为回路中消耗的用功功率，为试品容量的1/Q（Q为系统的谐振倍数）；因此实验的容量在降低，重量大大减轻。

谐振耐压实验系统按调剂方式分为调感式（VISR）和调频式（VFSR）两种。

可调电感型谐振实验系统能够知足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，要紧用于实验室。

变频串联谐振耐压实验是利用电抗器的电感与被试品电容实现电容谐振，在被试品上取得高电压、大电流，是当前高电压实验的一种新的方式与潮流，在国内外已经取得普遍的应用。

变频串联谐振是谐振式电流滤波电路，能改善波形畸变，取得较好的正弦电压波形，有效避免谐波峰值对被试品的误击穿。

变频串联谐振工作在谐振状态，当被试品的绝缘点被击穿时，电流当即脱谐，回路电流迅速下降为正常实验电流的数十分之一。

发生闪络击穿时，因失去谐振条件，除短路电流当即下降外，高电压也当即消失，电弧即可熄灭。

其恢复电压的再成立进程很长，很容易在再次达到闪络电压断开，因此适用于高电压、大容量的电力设备的绝缘耐压实验。

变频谐振实验系统不但能知足XLPE电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优势，适宜现场实验。

经分析比较，咱们采纳上海思源电气生产的VFSR变频串联谐振成套实验装置，该装置采纳固定电抗器作为谐振电抗器，以调频的方式实现谐振，频率的调剂范围为30～300Hz，符合南方电网公司2004年发布的企业标准之《电力设备预防性实验规程》内容中推荐利用频率20～300Hz的谐振耐压实验。

3谐振实验装置利用中的注意事项

（1）谐振产品大多都是实验设备，要求由实验专业人员利用，利用前应认真阅读利用说明书，并经反复操作训练。

（2）操作人员应很多于2人。

利历时应严格遵守本单位有关实验的平安作业规程。

（3）为了保证实验的平安正确，除必需熟悉本产品说明书外，还必需严格按国家有关标准和规程进行实验操作。

（4）各联接线不能接错，专门是线不能接错，不然可致使实验装置损坏。

（5）本装置利历时，输出的是高电压或超高电压，必需靠得住，注意操作平安距离。

（6）串联谐振实验系统是利用谐振电抗器与被试品谐振产生高电压的，也确实是说，能不能产生高电压主若是看试品与谐振电抗器是不是谐振，因此，实验人员在分析现场不能够产生所需高电压时，应该分析什么破坏了谐振条件，回路是不是接通等。

（7）串联谐振实验系统的激磁变压器有特定的电压和电流要求，在选用代替品时，必然要考虑电压和电流，不能采纳只是容量相同的一般的实验变压器。

4终止语

直流耐压实验不能模拟交联电缆的运行工况，实验成效差，而且有必然的危害性，在现场完工验收实验时，不宜再采纳直流耐压的方式。

交流耐压实验是现场查验交联电缆的敷设和附

展开阅读全文