LED基本理论知识.pdf

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1、LEDLED 基本理论知识基本理论知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-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

2、子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1 所示。此主题相关图片如下：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 m 以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g 有关，即 1240/Eg（mm）式中Eg 的单位为电子伏特（ eV）。若

3、能产生可见光（波长在380nm 紫光780nm红光），半导体材料的Eg 应在3.261.63eV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

4、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。此主题相关图片如下：由图可见，该发光管所发之光中某一波长 0 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 :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

5、值角 1/2 和视角： 1/2 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）。此主题相关图片如下：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 0.6IFm 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 I

6、F=20mA 时测得的。发光二极管正向工作电压VF 在1.43V。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。此主题相关图片如下：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IR10 A 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

7、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 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、 10mm及 20mm等。国外通常把 3mm 的发光二极管记作T-1；把 5mm 的记作T-1（3/4）；把4.4mm 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520或

8、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 2045。（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 4590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10100mcd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

9、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VR0。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

10、小于最大允许电流IFm。此主题相关图片如下：（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RVi/IF式中，Vi交流电压有效值。此主题相关图片如下：（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。此主题相关图片如下：（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

11、极管的稳定电压在1.43V 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。此主题相关图片如下：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 10k 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200k,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，

12、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 10k 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 10 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1 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1 ，以免电流过大，损坏发光二极管。（2）外接电源测量。

13、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 1.43V 之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF3V，且不发光，说明发光管已坏。此主题相关图片如下：2红外发光二极管的检测由于红外发光二极管， 它发射13m 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1.32.5V。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，

14、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。此主题相关图片如下：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按图 12

15、 排列而成的。 可实现09 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。此主题相关图片如下：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 30 m 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

16、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

17、）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 23mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5 英寸）甚至达数百mm。（2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。（3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即 P 区）是公共的，而阴极互相隔离。所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即 N 区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如图 13 所示。（三）LED

18、 显示器的参数由于LED 显示器是以LED 为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED 显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：1发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在 1.52.3 间，最大不能超过2.5。2脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为 IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。（四）LED 显示器的应用指南1七段数码显示器（1）如果数码宇航局为共阳极形式，那么它的驱动级应为集

19、电极开路（OC）结构，如图14（a）所示。如果数码管为共阴极形式，它的驱动级应为射极输出或源极输出电路，如图 14(b)所示。此主题相关图片如下：例如国产TTL 集成电路CT1049、CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路；而 CMOS 集成电路CC4511为源极输出七段锁存、译码驱动电路。（2）控制数码管驱动级的控制电路（也称驱动电路）有静态式和动态式两类。 静态驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器（如BCD 码二-十进制译码器）译码驱动。图15 是一位数码管的静态驱动之例。图集成电路 TC5002BP内含有射极输出驱动级，所以采用共阴极数码管。A、

20、B、C、D 端为BCD 码（二-十进制的8421码）输入端，BL为数码管熄灭及显示状态控制端， R 为外接电阻。此主题相关图片如下：图 16为N 位数字静态驱动显示电路。此主题相关图片如下： 动态驱动：动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器，使各位数码管逐个轮流受控显示，这就是动态驱动。由于扫描速度极快。显示效果与静态驱动相同。图 17 是一种四位数字动态驱动（脉搏冲驱动）方法的线路。图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。此主题相关图片如下：TC4508BP内含两个锁存器， 每个锁存器可锁存四位二进BCD 码，对应于四位十进制数的四组BCD 码分别输入到四个锁存器，四个锁存器，

21、四组BCD 码由四个锁存器分时轮流输出进入译码器，译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P（输入端I1I7与输出端Q1Q7一一对应） 。Q1Q7 分别加到四个数码管的ag 七个阳极上。数字驱动电路 TD62003P是由达林顿构成的阵列电路， Q1Q4 中哪一端接地，由输入端I1I4 的四师长“使能”信号 DS1DS4 控制。由于四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1DS4 控制。所以四个数码管轮流通电显示。由于轮流显示频率较高，故显示的数字不呈闪烁现象。2米字管、符号管显示器米字管和符号管的结构原理相机，所以其驱动方式也基本相同，只是译码电路的译码过程与七段译码器不同。米字管可以显

22、示包括英文字母在内的多种符号。符号管主要是用来显示+、-或号等。3LED 点阵式显示器LED 点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比，具有焊点少、连线少，所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。点阵管根据其内部LED 尺寸的大小、数量的多少及发光强度、颜色等可分为多种规格。图 18 所示是具有代表性的P2057A 和P2157A两种5 高亮度橙红色57 点阵组件。采用双列直插14 脚封装，两种显示器的差别是LED 极性不同，如图 18所示。此主题相关图片如下：该显示器用扫描驱动方式，选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源，每个 LED 的平均电流不应超过20mA。LED 点阵管可以代替数码管、符号管和米字管。不仅可以显示数字，也可显示所有西文字母和符号。如果将多块组合，可以构成大屏幕显示屏，用于汉字、图形、图表等等的显示。被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。图 19是一个LED 点阵显示器驱动电路之例。此主题相关图片如下：