LED基礎知識大普及

1 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。

2 LED的特性

2.1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。

2.2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IR10μA以下。

3 LED的分類

3.1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。

3.2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。