LED基础知识.docx

1、LED基础知识半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）基础知识 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （二、LED显示器结构及分类 通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 （一）LED

2、显示器结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。 （1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好30m的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方

3、式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可*性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。 （2）条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。 （3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。 （4）符号管、米字管的

4、制作方式与数码管类似。 （5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。 （二）LED显示器分类 （1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在23mm）。其他类型笔画 显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。 （2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。 （3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。 （4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。 所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。 所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如

5、图13所示。图13 （三）LED显示器的参数 由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数： 1发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.52.3间，最大不能超过2.5。 2脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。 （四）LED显示器的应用指南 1七段数码显示器 （1）如果数码宇航局为共阳

6、极形式，那么它的驱动级应为集电极开路（OC）结构，如图14（a）所示。如果数码管为共阴极形式，它的驱动级应为射极输出或源极输出电路，如图14(b)所示。 例如国产TTL集成电路CT1049、CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路；而CMOS集成电路CC4511为源极输出七段锁存、译码驱动电路。 （2）控制数码管驱动级的控制电路（也称驱动电路）有静态式和动态式两类。 静态驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器（如BCD码二-十进制译码器）译码驱动。图15是一位数码管的静态驱动之例。图集成电路TC5002BP内含有射极输出驱动级，所以采用共阴极数码管。A、B

7、、C、D端为BCD码（二-十进制的8421码）输入端，BL为数码管熄灭及显示状态控制端，R为外接电阻。 图16为N位数字静态驱动显示电路。 动态驱动：动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器，使各位数码管逐个轮流受控显示，这就是动态驱动。由于扫描速度极快。显示效果与静态驱动相同。图17是一种四位数字动态驱动（脉搏冲驱动）方法的线路。图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。图17 TC4508BP内含两个锁存器，每个锁存器可锁存四位二进BCD码，对应于四位十进制数的四组BCD码分别输入到四个锁存器，四个锁存器，四组BCD码由四个锁存器分时轮流输出进入译码器，译码后进入数码管驱动级集成电

8、路TD62505P（输入端I1I7与输出端Q1Q7一一对应）。Q1Q7分别加到四个数码管的ag七个阳极上。数字驱动电路TD62003P是由达林顿构成的阵列电路，Q1Q4中哪一端接地，由输入端I1I4的四师长“使能”信号DS1DS4控制。由于四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1DS4控制。所以四个数码管轮流通电显示。由于轮流显示频率较高，故显示的数字不呈闪烁现象。 2米字管、符号管显示器 米字管和符号管的结构原理相机，所以其驱动方式也基本相同，只是译码电路的译码过程与七段译码器不同。 米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号。符号管主要是用来显示+、-或号等。 3LED点阵式显示器 LE

9、D点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比，具有焊点少、连线少，所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。 点阵管根据其内部LED尺寸的大小、数量的多少及发光强度、颜色等可分为多种规格。图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种5高亮度橙红色57点阵组件。采用双列直插14脚封装，两种显示器的差别是LED极性不同，如图18所示。 该显示器用扫描驱动方式，选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源，每个LED的平均电流不应超过20mA。 LED点阵管可以代替数码管、符号管和米字管。不仅可以显示数字，也可显示所有西文字母和符号。如果将多块组合，可以构成大屏幕显示屏，用于汉字、图形、图表等等

10、的显示。被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。 图19是一个LED点阵显示器驱动电路之例。郑重声明：本文版权归会员服务部与中国光学光电子行业论坛共同所有一）LED发光原理 发光二极管是由-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

11、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*近PN结面数m以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 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3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在

12、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

13、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0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: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1/2和视角：1/2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

14、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0.6IFm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1.43V。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

15、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IR10A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、表面安装用

16、微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。 3按发光二极管的结构分 按发光

17、二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 （四）LED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行恰当选择。 由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证

18、不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VR0。6VRm。 LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，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LED的电流小于最大允许电流IFm。 （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（E-VF）/IF； 图(b)中的R（1.4Vi-VF）/IF; 图(c)中的RVi/IF 式中，Vi交流电压有效值。 （3）

19、单LED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LED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LED的阈值电压时，LED才可能发光。 （4）单LED可充作低压稳压管用。由于LED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1.43V间，应根据需要进行选择VF，如图8所示。 （5）电平表。目前，在音响设备中大量使用LED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LED数目不同，则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LED1亮，再增

20、大LED2亮。 （五）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10k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200k,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，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为10k挡不能向LED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“+”接线柱与另一块表的“-”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10挡。正常情

21、况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至1若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于1，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VF在1.43V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF3V，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13m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mW，不

22、同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.32.5V。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LED的检测法只能判定其PN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2CR、2DR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LED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。半导体发光二极管(LED)是在半导体p-n结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。由于它发射准单色光、尺寸小、寿命长和廉价，因此被广泛用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源

23、等领域。 一、发光二极管的发光机理 1.p-n结电子注入发光 图1、图2表示p-n结未知电压是构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。 发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg。如Eg的单位为电子伏（eV）,Eg=hv/q=hc/(q)=hc/(qEg)=1240/Eg (nm) 半导体可分为置接带隙和间接带隙两种，发光二极管大都采用直接带隙材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与

24、空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接带隙材料，其效率就低一些。下表列举了常用半导体材料及其发射的光波波长等参数。 3异质结注入发光为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图4表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的势垒。图5表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空垒的势垒小得多，而且空穴不断从P区向n区扩散，得到高的注入效率。N区的电子注入P区的速率却较小。这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。由于p取得能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。发光二极管与半导体二

25、极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注入的载流子转变成光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流。应严格加以区别。 二、发光二极管的特性 1 效率发光二极管的效率可以用电光源的常用术语来表征，即对红外光采用辐射效率e,对可见光则用发光效率l.但是也有用内量子效率qi和外量子效率qe来表征的； qi=NT/G公式中NT为辐射复合产生光子的效率，G为注入的电子空穴对书。这样qi等于注入每个电子空穴对在半导体内所发生的光子数，最高可接近100%。 qe=NT/G公式中，NT为从发光二极管输出光子的效率。这样qei等于注入每个电子空穴对所产生的输出器件外的有效光子数，一般只有0.

26、01-13%。发射红外的qe可达15%，而绿光qe,下降到1%以下。使外量子效率显著下降的主要原因是半导体本身的吸收，是光从半导体射入空气时的反射损失和全反射损失造成的。例如GaAs的折射率n=3.6，反射损失为32%，用图6所示结构的全反射损失为96%，出射的光只有百分之几。采用图7的结构，全反射损失大为减少。目前常用透明树脂替代图7的球型部分，以降低成本。 2 光的光谱分布对大多数半导体材料来说，由于折射率较大，在光逸出半导体之前，往往以经过多次反射，由于短波光比长波光易于吸收，所以峰值波长所对应的光子能量比带隙Eg小些。例如，GaAs发射的峰值波长所对应的光子能量为1.1eV，比室温下的

27、带隙Eg小0.3eV。改变GaAs1-xPx中的x值，峰值波长在620-680nm范围内变化。谱线半宽度为200-300A。由此可知，发光二极管提供的是半宽度很大的单色光。由于半导体的能隙温度的上升而减小，因此它所发射的峰波长随温度的上升而增长，温度系数约为2-3A/C。3.发光强度分布一种在GaP基片上生成GaAsP的发光二极管的发光分布温度如图8所示，谱线宽度为400A，发射的角度宽度约为22，500W/sr。总之，发光二极管的幅通量是集中在一定角度内发射出去的。 4光出射度图9表明几种半导体P-N结发射的光出射度与输入电流的关系。可见，GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs，半导体发光

28、管具有良好的线性，其他两种则相当差。图10表明发光二极管输出的光通量强烈地依赖环境温度，使用时必须加以考虑。5响应时间发光二极管的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似的成指数地衰减。直接跃迁的材料如(GaAs1-xPx)的响应时间仅几个ns，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间则是100ns。发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫。这种直接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中得到应用。 发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞争的。发光二极管的亮度随着工作时间的加长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度j和老化时间常数r有关。 目前限于工艺水平，发光二极管发射的幅通量（功率）只有微瓦、毫瓦级，几十毫瓦的已很少见。随着大功率器件的出现，其应用的领域将会日益扩大。