LED原理发光二极管

1、发光二极管（发光二极管（LED）n半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础nLED的工作原理、结构及驱动的工作原理、结构及驱动 nLED的特性的特性nLED的应用的应用 n原子中存在许多能级，最低能级原子中存在许多能级，最低能级E1称为称为基态基态，能量比，能量比基态大的能级基态大的能级Ei(i=2,3,4) 称为称为激发态激发态。n 电子电子3种跃迁种跃迁:（1）受激吸收）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自发辐射）自发辐射（3）受激辐射）受激辐射n 设处于能级设处于能级E1和和E2的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。热平。热平衡状态时，遵循玻耳兹曼统计分布衡状

2、态时，遵循玻耳兹曼统计分布:KJ/10381. 123k2211expNEENkT（2.1.1-1）n在热平衡状态下，在热平衡状态下， 。受激吸收速率大于。受激吸收速率大于受激辐射速率。当光通过这种物质时，光强按指受激辐射速率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。21NN n如果如果 ，即受激辐射速率大于受激吸，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物质称为作用，这种物质称为增益介质增益介质（或（或激活介质激活介质）。）。 12NN 电子电子扩散扩散漂移漂移空穴空穴内建

3、电场内建电场空间电荷区空间电荷区PN图图2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动结内建电场的形成及载流子的运动PN结加正向电压时导通：结加正向电压时导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。在扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带与空结处于导通状态。在扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带与空穴复合，产生自发辐射光。穴复合，产生自发辐射光。 光的峰值波长光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即有关，即1240/Eg（mm） 半导体发光二极管的结

4、构示意图半导体发光二极管的结构示意图P-Alx Ga1-x AsN-Aly Ga1-y AsP- Ga As光输出光输出 发光二极管发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正），是利用正向偏置向偏置PN结中电子与空穴的复合辐射发光的，是结中电子与空穴的复合辐射发光的，是自发自发辐射发光辐射发光。结构示意图结构示意图二、基本结构二、基本结构金属化层(用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层(用于电接触)条形接触(确定有源区)有源区 它的核心结构是有源层两边有导光层（限制层），构它的核心结构是有源层两边有导光层（限制层），构成了以有源层为纤芯的光波导，

5、有源层产生的光波从其端面成了以有源层为纤芯的光波导，有源层产生的光波从其端面射出，发散角小。有利于发光功率有效地耦合入光纤。射出，发散角小。有利于发光功率有效地耦合入光纤。结构示意图结构示意图 n三、驱动电路三、驱动电路输出光功率被电信号所调制输出光功率被电信号所调制数字、模拟。数字、模拟。图图2.1.2-4 LED驱动电路驱动电路+5VLEDReRb2Rb1Vinn四、符号及外形四、符号及外形LED外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种 塑封塑封LED按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色

6、、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图腔对波长的选择，谱线较宽，如图2.1.3-1所示。所示。1300 波长波长/ /nm=70nm相相对对光光强强图图2.1.3-1 LED光谱光谱0 200 400 电流电流I / /mA发发射射光光功功率率P/mW 面发光面发光 边发光边发光 1510 5 0图图2.1.3-2 LED 的的P-I曲线曲线。，通过选用不同的材料，可以实现各种，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用发光颜色。如采用Ga

7、P:ZnO或或GaAaP材料的红色材料的红色LED，GaAaP材材料的橙色、黄色料的橙色、黄色LED，以及，以及GaN蓝色蓝色LED等。而且通过红、绿、等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。蓝三原色的组合，可以实现全色化。随着各种颜色随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光辉度的迅速提高，即使在日光下，由下，由LED发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。在其他显示器件不能使用。在其他显示器件不能使用的极小的范围内

8、也可使用，再加上低电压、低的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。大。基本上不需要维修。可作为地板、马基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。域。LED应用应用利用利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。图图2.1.4-1点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示图图2.1.4-2 字段型数字显示字段型数字显示树脂树脂反射框反射框引线框架引线框架LED芯片芯片扩散片扩散片LED用于平面显示，其优点是：用于平面显示，其优点是：LED为固体为固体元件，可靠性高，可以制作对于元件，可靠性高，可以制作对于CRT及及LCD来说来说不容易做出的不容易做出的大型显示器大型显示器。LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、除用做显示器件外，还可用