發光二極體的工作條件

2020-11-24 電子發燒友

發光二極體的工作條件

發表於 2018-01-25 14:38:16

半導體發光器件包括半導體發光二極體（簡稱LED）、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發光單元都是一個發光二極體。

LED發光原理

發光二極體是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體製成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正嚮導通，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）複合而發光，如圖1所示。

假設發光是在P區中發生的，那麼注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介於導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對於非發光複合量的比例越大，光量子效率越高。由於複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、綠及藍光發光二極體，但其中藍光二極體成本、價格很高，使用不普遍。

LED的基本工作條件

LED是一種電流驅動的低電壓單向導電器件，為保證LED正常工作，必須滿足以下幾個方面的基本要求。

（1）輸入直流電壓必須不低於LED的正向電壓降，否則，LED不會導通而發光。

（2）採用直流電流或單向脈衝電流驅動，當驅動並聯的LED或LED串時，要求恆流而不是恆壓供電。

圖1給出了隨機抽取的6隻白光LED（其中A商標和B商標各3隻）的正向電流IF隨正向電壓TIE變化的關係曲線。如果用恆定電壓驅動這6隻（相併聯）LED，它們之間的正向電流相差較大，例如用3．4V驅動，正向電流範圍為l 0～44mA，這就使得各只LEDˉ的亮度和色度存在較大的差異。

LED所允許的額定電流（30mA）隨溫度的升高而減小，如圖2所示。由該圖可知，當環境溫度升至50C時，額定電流降至20mA，在此情況下，為防止LED燒毀，驅動電流必須限制在20mA之內。因此，為避免LED的驅動電流超過最大額定值，影響其可靠性，同時為獲得預期的亮度要求，保證各個LED亮度和色度的一致性，應採用恆定電流驅動方式，而不是恆壓方式。

圖1 6隻白光LED的正向電流隨正向電壓變化的關係曲線

發光二極體電參數的意義

（1）光譜分布和峰值波長：某一個發光二極體所發之光並非單一波長，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：發光二極體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）。由於一般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給出的二隻不同型號發光二極體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：它是指發光二極體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。發光二極體正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。

（7）V-I特性：發光二極體的電壓與電流的關係可用圖4表示。在正向電壓正小於某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值後，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IR《10μA以下。

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