半導體發光二極體工作原理、特性及應用

　　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。

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　　一、 半導體發光二極體工作原理、特性及應用(一)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。

　　(二)LED的特性

　　1.極限參數的意義

　　(1)允許功耗Pm:允許加於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體。

　　(3)最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極體可能被擊穿損壞。

　　(4)工作環境topm:發光二極體可正常工作的環境溫度範圍。低於或高於此溫度範圍，發光二極體將不能正常工作，效率大大降低。

　　2.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。

　　(三)LED的分類

　　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，有的發光二極體中包含二種或三種顏色的晶片。

　　根據發光二極體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體還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極體和達於做指示燈用。

　　2. 按發光管出光面特徵分

　　按發光管出光面特徵分圓燈、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的發光二極體記作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。

　　3.按發光二極體的結構分

　　按發光二極體的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

　　4.按發光強度和工作電流分

　　按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發光強度<10mcd);超高亮度的LED(發光強度>100mcd);把發光強度在10～100mcd間的叫高亮度發光二極體。

　　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(亮度與普通發光管相同)。

　　除上述分類方法外，還有按晶片材料分類及按功能分類的方法。

　　(四)LED的應用

　　由於發光二極體的顏色、尺寸、形狀、發光強度及透明情況等不同，所以使用發光二極體時應根據實際需要進行恰當選擇。

　　由於發光二極體具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時，應保證不超過此值。為安全起見，實際電流IF應在0.6IFm以下;應讓可能出現的反向電壓VR<0。6VRm。

　　LED被廣泛用於種電子儀器和電子設備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發光管常被用於電視機、錄像機等的遙控器中。

　　(1)利用高亮度或超高亮度發光二極體製作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應保證電源電壓最高時應使LED的電流小於最大允許電流IFm。

　　

 

　　(2)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、振蕩器或脈衝數字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大於LED的閾值電壓時，LED才可能發光。

　　

 

　　(4)單LED可充作低壓穩壓管用。由於LED正嚮導通後，電流隨電壓變化非常快，具有普通穩壓管穩壓特性。發光二極體的穩定電壓在1.4～3V間，應根據需要進行選擇VF，如圖8所示。

　　(5)電平表。目前，在音響設備中大量使用LED電平表。它是利用多隻發光管指示輸出信號電平的，即發光的LED數目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5隻發光二極體構成的電平表。當輸入信號電平很低時，全不發光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮……。

　　

 

　　(五)發光二極體的檢測

　　1.普通發光二極體的檢測

　　(1)用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發光二極體的好壞。正常時，二極體正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞，反向電阻值很小或為0，則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發光管的發光情況，因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。

　　如果有兩塊指針萬用表(最好同型號)可以較好地檢查發光二極體的發光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的「+」接線柱與另一塊表的「-」接線柱連接。餘下的「-」筆接被測發光管的正極(P區)，餘下的「+」筆接被測發光管的負極(N區)。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通後就能正常發光。若亮度很低，甚至不發光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發光，則說明該發光二極體性能不良或損壞。應注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置於×1Ω，以免電流過大，損壞發光二極體。

　　(2)外接電源測量。用3V穩壓源或兩節串聯的乾電池及萬用表(指針式或數字式皆可)可以較準確測量發光二極體的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.4～3V之間，且發光亮度正常，可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，且不發光，說明發光管已壞。

　　

 

　　2.紅外發光二極體的檢測

　　由於紅外發光二極體，它發射1～3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發光二極體發射功率只有數mW，不同型號的紅外LED發光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3～2.5V。正是由於其發射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發光情況正常否。為此，最好準備一隻光敏器件(如2CR、2DR型矽光電池)作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流後是否發射紅外光。其測量電路如圖11所示。

　　

 

　　二、LED顯示器結構及分類

　　通過發光二極體晶片的適當連接(包括串聯和並聯)和適當的光學結構。可構成發光顯示器的發光段或發光點。由這些發光段或發光點可以組成數碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統稱為字符顯示器。

　　(一)LED顯示器結構

　　基本的半導體數碼管是由七個條狀發光二極體晶片按圖12排列而成的。可實現0～9的顯示。其具體結構有「反射罩式」、「條形七段式」及「單片集成式多位數字式」等。

　　

 

　　(1)反射罩式數碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個LED貼在與反射罩的七個反射腔互相對位的印刷電路板上，每個反射腔底部的中心位置就是LED晶片。在裝反射罩前，用壓焊方法在晶片和印刷電路上相應金屬條之間連好φ30μm的矽鋁絲或金屬引線，在反射罩內滴入環氧樹脂，再把帶有晶片的印刷電路板與反射罩對位粘合，然後固化。

　　反射罩式數碼管的封裝方式有空封和實封兩種。實封方式採用散射劑和染料的環氧樹脂，較多地用於一位或雙位器件。空封方式是在上方蓋上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在晶片和底板上塗以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用於四位以上的數字顯示(或符號顯示)。

　　(2)條形七段式數碼管屬於混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內含一隻或數隻LED發光條，然後把同樣的七條粘在日字形「可伐」框上，用壓焊工藝連好內引線，再用環氧樹脂包封起來。

　　(3)單片集成式多位數字顯示器是在發光材料基片上(大圓片)，利用集成電路工藝製作出大量七段數字顯示圖形，通過劃片把合格晶片選出，對位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上「魚眼透鏡」外殼。它們適用於小型數字儀表中。

　　(4)符號管、米字管的製作方式與數碼管類似。

　　(5)矩陣管(發光二極體點陣)也可採用類似於單片集成式多位數字顯示器工藝方法製作。

　　(二)LED顯示器分類

　　(1)按字高分：筆畫顯示器字高最小有1mm(單片集成式多位數碼管字高一般在2～3mm)。其他類型筆畫顯示器最高可達12.7mm(0.5英寸)甚至達數百mm。

　　(2)按顏色分有紅、橙、黃、綠等數種。

　　(3)按結構分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。(4)從各發光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。

　　所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發光管的陽極(即P區)是公共的，而陰極互相隔離。

　　所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發光管的陰極(即N區)是公共的，而陽極是互相隔離的。如圖13所示。

　　

 

　　(三)LED顯示器的參數

　　由於LED顯示器是以LED為基礎的，所以它的光、電特性及極限參數意義大部分與發光二極體的相同。但由於LED顯示器內含多個發光二極體，所以需有如下特殊參數：

　　1.發光強度比

　　由於數碼管各段在同樣的驅動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發光強度不同。所有段的發光強度值中最大值與最小值之比為發光強度比。比值可以在1.5～2.3間，最大不能超過2.5。

　　2.脈衝正向電流

　　若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為IF，則在脈衝下，正向電流可以遠大於IF。脈衝佔空比越小，脈衝正向電流可以越大。

　　(四)LED顯示器的應用指南

　　1.七段數碼顯示器

　　(1)如果數碼宇航局為共陽極形式，那麼它的驅動級應為集電極開路(OC)結構，如圖14(a)所示。

　　如果數碼管為共陰極形式，它的驅動級應為射極輸出或源極輸出電路，如圖14(b)所示。

　　

 

　　例如國產TTL集成電路CT1049、CT4049為集電極開路形式七段字形解碼驅動電路;而CMOS集成電路CC4511為源極輸出七段鎖存、解碼驅動電路。

　　(2)控制數碼管驅動級的控制電路(也稱驅動電路)有靜態式和動態式兩類。

　　① 靜態驅動：靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管各用一個筆畫解碼器(如BCD碼二-十進位解碼器)解碼驅動。圖15是一位數碼管的靜態驅動之例。圖集成電路TC5002BP內含有射極輸出驅動級，所以採用共陰極數碼管。A、B、C、D端為BCD碼(二-十進位的8421碼)輸入端，BL為數碼管熄滅及顯示狀態控制端，R為外接電阻。

　　

 

　　圖16為N位數字靜態驅動顯示電路。

　　

 

　　② 動態驅動：動態驅動是將所有數碼管使用一個專門的解碼驅動器，使各位數碼管逐個輪流受控顯示，這就是動態驅動。由於掃描速度極快。顯示效果與靜態驅動相同。圖17是一種四位數字動態驅動(脈搏衝驅動)方法的線路。圖中只用了一個解碼驅動電路TC5002BP。

　　

 

　　TC4508BP內含兩個鎖存器，每個鎖存器可鎖存四位二進BCD碼，對應於四位十進位數的四組BCD碼分別輸入到四個鎖存器，四個鎖存器，四組BCD碼由四個鎖存器分時輪流輸出進入解碼器，解碼後進入數碼管驅動級集成電路TD62505P(輸入端I1～I7與輸出端Q1～Q7一一對應)。Q1～Q7分別加到四個數碼管的a～g七個陽極上。數字驅動電路TD62003P是由達林頓構成的陣列電路，Q1～Q4中哪一端接地，由輸入端I1～I4的四師長「使能」信號DS1～DS4控制。由於四個鎖存器的輪換輸出也是受「使能」信號DS1～DS4控制。所以四個數碼管輪流通電顯示。由於輪流顯示頻率較高，故顯示的數字不呈閃爍現象。

　　2.米字管、符號管顯示器

　　米字管和符號管的結構原理相機，所以其驅動方式也基本相同，只是解碼電路的解碼過程與七段解碼器不同。

　　米字管可以顯示包括英文字母在內的多種符號。符號管主要是用來顯示+、-或±號等。

　　3.LED點陣式顯示器

　　LED點陣式顯示器與由單個發光二極體連成的顯示器相比，具有焊點少、連線少，所有亮點在同平面、亮度均勻、外形美觀等優點。

　　點陣管根據其內部LED尺寸的大小、數量的多少及發光強度、顏色等可分為多種規格。圖18所示是具有代表性的P2057A和P2157A兩種φ5高亮度橙紅色5×7點陣組件。採用雙列直插14腳封裝，兩種顯示器的差別是LED極性不同，如圖18所示。

　　

 

　　該顯示器用掃描驅動方式，選擇較大峰值電流和窄脈衝作驅動源，每個LED的平均電流不應超過20mA。

　　LED點陣管可以代替數碼管、符號管和米字管。不僅可以顯示數字，也可顯示所有西文字母和符號。如果將多塊組合，可以構成大屏幕顯示屏，用於漢字、圖形、圖表等等的顯示。被廣泛用於機場、車站、碼頭、銀行及許多公共場所的指示、說明、廣告等場合。

　　圖19是一個LED點陣顯示器驅動電路之例。