半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作原理以及應(yīng)用

　　 半導(dǎo)體發(fā)光二極管是什么

? ? ? ? ?發(fā)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(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。

　　假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。

　　理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即

　　λ≈1240/Eg（mm）

　　式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。

　　LED的特性

　　1.極限參數(shù)的意義

　?。?）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(fā)熱、損壞。

　?。?）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。

　?。?）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

　?。?）工作環(huán)境topm：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

　　2.電參數(shù)的意義

　　（1）光譜分布和峰值波長(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖2所示。

　　由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。

　?。?）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉（mcd）作單位。（3）光譜半寬度Δλ：它表示發(fā)光管的光譜純度。是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔。

　　（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)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(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。

　?。?）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。

　?。?）正向工作電壓VF：參數(shù)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(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。

　　（7）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。

　　在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR100mcd）;把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)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(fā)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。

　　LED的應(yīng)用

　　由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。

　　由于發(fā)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(shí)，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下;應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR

　?。?）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(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí)，LED才可能發(fā)光。

　?。?）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê螅娏麟S電壓變化非?？欤哂衅胀ǚ€(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF，如圖8所示。

　?。?）電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的，即發(fā)光的LED數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí)，全不發(fā)光。輸入信號(hào)電平增大時(shí)，首先LED1亮，再增大LED2亮……。