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LED发光二极管常识

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,所以光仅在靠近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禁带宽度Eg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<10μA以下。

(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<10mcd);超高亮度的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<0。6VRm。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IFm。

(2)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

(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
(5)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。

LED发光二极管并档使用

  在LED的应用领域中,经常会遇到几颗LED同时并联使用的情况,由于LED自身电压、波长、亮度的不一致,许多颗二极管并联在一起使用会有颜色不一致,亮度明暗不一样等情况,故在使用时需考虑如下原则,以免造成使用效果不理想:

  在同一个产品中,尽可能使用同一个档次的产品,若不能满足则考虑下述几条

  同一产品中,保持LED的电压(Vf)一致的前提下,考虑同一波长,相邻亮度档的产品,
   如蓝色有343#、443#、543#、533#、433#,若用443#的不够时,则并用543#或343#。
   视客户产品的质量状况,原则上同一产品,尽可能不要跨档;如343#与543#尽可能不
   要用在同一产品上。

  如第2条仍无法满足的前提下,则考虑LED电压相同、波长相邻、亮度相邻/同第2条举
   例雷同。

  仅串联线路则重点考虑以波长一致,电压一致之先后顺序考虑。

  在产品使用需多个排列时,不同产品则重点考虑波长一致,亮度一致的先后顺序排列。

  我司产品在发货时均是采用自动分光机来分光、分色、分电压,一般同一包装袋内均
   为同一个档次之产品。

以上仅为LED并档使用的推荐办法,在实际生产中,用户则可以根据自己产品的特点进行相
应的调整或以其它的办法使用。

应用常识

     LED焊接条件
      (1)烙铁焊接:烙铁(最高30W)尖端温度不超过300℃;焊接时间不超过3秒;
         焊接位置至少离胶体2毫米。
      (2)波峰焊:浸焊最高温度260℃;浸焊时间不超过5秒;浸焊位置至少离胶体
         2毫米。

      引脚成形方法
      (1)必需离胶体2毫米才能折弯支架。
      (2)支架成形必须用夹具或由专业人员来完成。
      (3)支架成形必须在焊接前完成。
      (4)支架成形需保证引脚和间距与线路板上一致。

   清洗


      当用化学品清洗胶体时必须特别小心,因为有些化学品对胶体表面有损伤并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等。可用乙醇擦拭、浸渍,时间在常温下不超过3分钟。


    静电防护


      静电和电流的急剧升高将会对LED产生损害,InGaN系列产品使用时请使用防静电装置,如防护带和手套。

      注意:使用时人体放电模式HBM<1000V;机器放电模式<100V。

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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