半導體發(fā)光二極管工作原理、特性及應用

半導體發(fā)光器件包括半導體發(fā)光二極管(簡稱LED)、數(shù)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(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。

一、 半導體發(fā)光二極管工作原理、特性及應用(一)LED發(fā)光原理

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)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復合而發(fā)光，如圖1所示。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)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(fā)光的復合量相對于非發(fā)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(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。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)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(chǎn)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?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

(二)LED的特性

1.極限參數(shù)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(fā)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(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

(4)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：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。

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

(2)發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線(對圓柱形發(fā)光管是指其軸線)方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時，則發(fā)光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(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峰值光強所對應兩波長之間隔.

(4)半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強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發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線(法線)AO的坐標為相對發(fā)光強度(即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比)。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)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(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。

(6)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時測得的。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，VF將下降。

(7)V-I特性：發(fā)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(fā)光。當電壓超過某一值后，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IR<10μA以下。

(三)LED的分類

1. 按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)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(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據(jù)發(fā)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(fā)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(fā)光二極管和達于做指示燈用。

2. 按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)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(fā)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(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

(1)高指向性。一般為尖頭環(huán)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(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

(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(fā)光二極管的結(jié)構分

按發(fā)光二極管的結(jié)構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構。

4.按發(fā)光強度和工作電流分

按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發(fā)光強度<10mcd);超高亮度的LED(發(fā)光強度>100mcd);把發(fā)光強度在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。

(四)LED的應用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應根據(jù)實際需要進行恰當選擇。

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，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(xiàn)的反向電壓VR<0。6VRm。

LED被廣泛用于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(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。

(1)利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制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的電流小于最大允許電流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、振蕩器或脈沖數(shù)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。只有當輸出電壓大于LED的閾值電壓時，LED才可能發(fā)光。

(4)單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？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，應根據(jù)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。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號電平的，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)光二極管構成的電平表。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮……。

(五)發(fā)光二極管的檢測

1.普通發(fā)光二極管的檢測

(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(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管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(fā)光管的發(fā)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(fā)光二極管的發(fā)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。余下的“-”筆接被測發(fā)光管的正極(P區(qū))，余下的“+”筆接被測發(fā)光管的負極(N區(qū))。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。

(2)外接電源測量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表(指針式或數(shù)字式皆可)可以較準確測量發(fā)光二極管的光、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(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。

2.紅外發(fā)光二極管的檢測

由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射1～3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW，不同型號的紅外LED發(fā)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。正是由于其發(fā)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(jié)正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光電池)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加上適當正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測量電路如圖11所示。

二、LED顯示器結(jié)構及分類

通過發(fā)光二極管芯片的適當連接(包括串聯(lián)和并聯(lián))和適當?shù)墓鈱W結(jié)構?？蓸嫵砂l(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)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(tǒng)稱為字符顯示器。

(一)LED顯示器結(jié)構

基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的。可實現(xiàn)0～9的顯示。其具體結(jié)構有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等。

(1)反射罩式數(shù)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芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應金屬條之間連好φ30μm的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對位粘合，然后固化。

反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實封兩種。實封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示(或符號顯示)。

(2)條形七段式數(shù)碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內(nèi)含一只或數(shù)只LED發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來。

(3)單片集成式多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料基片上(大圓片)，利用集成電路工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，通過劃片把合格芯片選出，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。它們適用于小型數(shù)字儀表中。

(4)符號管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。

(5)矩陣管(發(fā)光二極管點陣)也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。

(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(shù)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(shù)百mm。

(2)按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。

(3)按結(jié)構分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。(4)從各發(fā)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(fā)光管的陽極(即P區(qū))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(fā)光管的陰極(即N區(qū))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(shù)

由于LED顯示器是以LED為基礎的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于LED顯示器內(nèi)含多個發(fā)光二極管，所以需有如下特殊參數(shù)：

1.發(fā)光強度比

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

2.脈沖正向電流

若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為IF，則在脈沖下，正向電流可以遠大于IF。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大。

(四)LED顯示器的應用指南

1.七段數(shù)碼顯示器

(1)如果數(shù)碼宇航局為共陽極形式，那么它的驅(qū)動級應為集電極開路(OC)結(jié)構，如圖14(a)所示。

如果數(shù)碼管為共陰極形式，它的驅(qū)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(chǎn)TTL集成電路CT1049、CT4049為集電極開路形式七段字形譯碼驅(qū)動電路;而CMOS集成電路CC4511為源極輸出七段鎖存、譯碼驅(qū)動電路。

(2)控制數(shù)碼管驅(qū)動級的控制電路(也稱驅(qū)動電路)有靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。

① 靜態(tài)驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管各用一個筆畫譯碼器(如BCD碼二-十進制譯碼器)譯碼驅(qū)動。圖15是一位數(shù)碼管的靜態(tài)驅(qū)動之例。圖集成電路TC5002BP內(nèi)含有射極輸出驅(qū)動級，所以采用共陰極數(shù)碼管。A、B、C、D端為BCD碼(二-十進制的8421碼)輸入端，BL為數(shù)碼管熄滅及顯示狀態(tài)控制端，R為外接電阻。

圖16為N位數(shù)字靜態(tài)驅(qū)動顯示電路。

② 動態(tài)驅(qū)動：動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管使用一個專門的譯碼驅(qū)動器，使各位數(shù)碼管逐個輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。由于掃描速度極快。顯示效果與靜態(tài)驅(qū)動相同。圖17是一種四位數(shù)字動態(tài)驅(qū)動(脈搏沖驅(qū)動)方法的線路。圖中只用了一個譯碼驅(qū)動電路TC5002BP。

TC4508BP內(nèi)含兩個鎖存器，每個鎖存器可鎖存四位二進BCD碼，對應于四位十進制數(shù)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譯碼器，譯碼后進入數(shù)碼管驅(qū)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(shù)碼管的a～g七個陽極上。數(shù)字驅(qū)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。由于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(shù)碼管輪流通電顯示。由于輪流顯示頻率較高，故顯示的數(shù)字不呈閃爍現(xiàn)象。

2.米字管、符號管顯示器

米字管和符號管的結(jié)構原理相機，所以其驅(qū)動方式也基本相同，只是譯碼電路的譯碼過程與七段譯碼器不同。

米字管可以顯示包括英文字母在內(nèi)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(fā)光二極管連成的顯示器相比，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(yōu)點。

點陣管根據(jù)其內(nèi)部LED尺寸的大小、數(shù)量的多少及發(fā)光強度、顏色等可分為多種規(guī)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。采用雙列直插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(qū)動方式，選擇較大峰值電流和窄脈沖作驅(qū)動源，每個LED的平均電流不應超過20mA。

LED點陣管可以代替數(shù)碼管、符號管和米字管。不僅可以顯示數(shù)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，用于漢字、圖形、圖表等等的顯示。被廣泛用于機場、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(qū)動電路之例。