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第一章LED照明基础知识理论 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性此外，在一定条件下，它还具有发光特性在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在*近PN结面数μm以内产生理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料有关，即  λ≈1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间比红光波长长的光为红外光现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍 （二）LED的特性 1．极限参数的意义   （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值超过此值，LED发热、损坏   （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流超过此值可损坏二极管   （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压超过此值，发光二极管可能被击穿损坏   （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低  2．电参数的意义  （1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示 由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长  （2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。

由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位  （3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔. 　（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角  半值角的2倍为视角（或称半功率角） 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小由此图可以得到半值角或视角值  （5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下  （6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的一般是在IF=20mA时测得的发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V在外界温度升高时，VF将下降   （7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示 在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正向的发光管反向漏电流IR   （三）LED的分类   1． 按发光管发光颜色分   按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片   根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型散射型发光二极管和达于做指示灯用   2． 按发光管出光面特征分   按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）   由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况从发光强度角分布图来分有三类：   （1）高指向性一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统   （2）标准型通常作指示灯用，其半值角为20°～45°   （3）散射型。

这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大   3．按发光二极管的结构分   按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构   4．按发光强度和工作电流分   按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管 　一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）   除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法  （四）LED的应用   由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择   由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VR   LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中   （1）利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示。

图中电阻R限流电阻，其值应保证电源电压最高时应使LED的电流小于最大允许电流IFm2）图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路   图(a)中的电阻≈（E-VF）/IF；  图(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF;   图(c)中的R≈Vi/IF   式中，Vi——交流电压有效值 （3）单LED电平指示电路在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED表示输出信号是否正常，如图7所示R为限流电阻只有当输出电压大于LED的阈值电压时，LED才可能发光   （4）单LED可充作低压稳压管用由于LED正向导通后，电流随电压变化非常快，具有普通稳压管稳压特性发光二极管的稳定电压在1.4～3V间，应根据需要进行选择VF，如图8所示   （5）电平表目前，在音响设备中大量使用LED电平表它是利用多只发光管指示输出信号电平的，即发光的LED数目不同，则表示输出电平的变化图9是由5只发光二极管构成的电平表当输入信号电平很低时，全不发光输入信号电平增大时，首先LED1亮，再增大LED2亮…… 五）发光二极管的检测   1．普通发光二极管的检测   （1）用万用表检测。

利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流   如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）两块万用表均置×10Ω挡正常情况下，接通后就能正常发光若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω，以免电流过大，损坏发光二极管 （2）外接电源测量用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性为此可按图10所示连接电路即可如果测得VF在1.4～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏   2．红外发光二极管的检测   由于红外发光二极管，它发射1～3μm的红外光，人眼看不到。

通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同红外LED的正向压降一般为1.3～2.5V正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接收器用万用表测光电池两端电压的变化情况来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光其测量电路如图11所示 二、LED显示器结构及分类   通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构可构成发光显示器的发光段或发光点由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器  （一）LED显示器结构   基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的可实现0～9的显示其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等 1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。

在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化  反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可*性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）   （2）条形七段式数码管属于混合封装形式它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来  （3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳它们适用于小型数字仪表中   （4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似   （5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作   （二）LED显示器分类 　( 1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在2～3mm）。