LED基础理论知识

1、LED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子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合

2、而发光，如图1所示。 此主题相关图片如下：假设发光光是在PP区中发发生的，那么注注入的电电子与价价带空穴穴直接复复合而发发光，或或者先被被发光中中心捕获获后，再再与空穴穴复合发发光。除除了这种种发光复复合外，还有些些电子被被非发光光中心（这个中中心介于于导带、介带中中间附近近）捕获获，而后后再与空空穴复合合，每次次释放的的能量不不大，不不能形成成可见光光。发光光的复合合量相对对于非发发光复合合量的比比例越大大，光量量子效率率越高。由于复复合是在在少子扩扩散区内内发光的的，所以以光仅在在*近PPN结面面数m以内内产生。理论和和实践证证明，光光的峰值值波长与发光光区域的的半导体体材料禁禁带宽度度g

3、有有关，即即12440/EEg（mmm）式式中Egg的单位位为电子子伏特（eV）。若能能产生可可见光（波长在在3800nm紫紫光7780nnm红光光），半半导体材材料的EEg应在在3.22611.633eV之之间。比比红光波波长长的的光为红红外光。现在已已有红外外、红、黄、绿绿及蓝光光发光二二极管，但其中中蓝光二二极管成成本、价价格很高高，使用用不普遍遍。（二二）LEED的特特性1极限参参数的意意义（11）允许许功耗PPm:允允许加于于LEDD两端正正向直流流电压与与流过它它的电流流之积的的最大值值。超过过此值，LEDD发热、损坏。（2）最大正正向直流流电流IIFm：允许加加的最大大的正向向直

4、流电电流。超超过此值值可损坏坏二极管管。（33）最大大反向电电压VRRm：所所允许加加的最大大反向电电压。超超过此值值，发光光二极管管可能被被击穿损损坏。（4）工工作环境境toppm:发发光二极极管可正正常工作作的环境境温度范范围。低低于或高高于此温温度范围围，发光光二极管管将不能能正常工工作，效效率大大大降低。2电电参数的的意义（1）光光谱分布布和峰值值波长：某一个个发光二二极管所所发之光光并非单单一波长长，其波波长大体体按图22所示。此主题相相关图片片如下：由图可见见，该发发光管所所发之光光中某一一波长0的光光强最大大，该波波长为峰峰值波长长。（22）发光光强度IIV：发发光二极极管的发发

5、光强度度通常是是指法线线（对圆圆柱形发发光管是是指其轴轴线）方方向上的的发光强强度。若若在该方方向上辐辐射强度度为（11/6883）WW/srr时，则则发光11坎德拉拉（符号号为cdd）。由由于一般般LEDD的发光光二强度度小，所所以发光光强度常常用坎德德拉(mmcd)作单位位。（33）光谱谱半宽度度:它它表示发发光管的的光谱纯纯度.是是指图33中1/2峰值值光强所所对应两两波长之之间隔.（4）半值角角1/22和视角角：1/22是指发发光强度度值为轴轴向强度度值一半半的方向向与发光光轴向（法向）的夹角角。半值值角的22倍为视视角（或或称半功功率角）。 此主题相相关图片片如下：图3给出出的二只只

6、不同型型号发光光二极管管发光强强度角分分布的情情况。中中垂线（法线）AO的的坐标为为相对发发光强度度（即发发光强度度与最大大发光强强度的之之比）。显然，法线方方向上的的相对发发光强度度为1，离开法法线方向向的角度度越大，相对发发光强度度越小。由此图图可以得得到半值值角或视视角值。（5）正向工工作电流流If：它是指指发光二二极管正正常发光光时的正正向电流流值。在在实际使使用中应应根据需需要选择择IF在在0.66IFmm以下。（6）正向工工作电压压VF：参数表表中给出出的工作作电压是是在给定定的正向向电流下下得到的的。一般般是在IIF=220mAA时测得得的。发发光二极极管正向向工作电电压VFF在

7、1.433V。在在外界温温度升高高时，VVF将下下降。（7）VV-I特特性：发发光二极极管的电电压与电电流的关关系可用用图4表表示。 此主题相相关图片片如下：在正向电电压正小小于某一一值（叫叫阈值）时，电电流极小小，不发发光。当当电压超超过某一一值后，正向电电流随电电压迅速速增加，发光。由V-I曲线线可以得得出发光光管的正正向电压压，反向向电流及及反向电电压等参参数。正正向的发发光管反反向漏电电流IRR100A以下下。（三三）LEED的分分类1 按发发光管发发光颜色色分按发发光管发发光颜色色分，可可分成红红色、橙橙色、绿绿色（又又细分黄黄绿、标标准绿和和纯绿）、蓝光光等。另另外，有有的发光光二

8、极管管中包含含二种或或三种颜颜色的芯芯片。根根据发光光二极管管出光处处掺或不不掺散射射剂、有有色还是是无色，上述各各种颜色色的发光光二极管管还可分分成有色色透明、无色透透明、有有色散射射和无色色散射四四种类型型。散射射型发光光二极管管和达于于做指示示灯用。2 按发光光管出光光面特征征分按发发光管出出光面特特征分圆圆灯、方方灯、矩矩形、面面发光管管、侧向向管、表表面安装装用微型型管等。圆形灯灯按直径径分为2mmm、4.44mm、5mmm、8mmm、10mmm及20mmm等。国外通通常把3mmm的发光光二极管管记作TT-1；把5mmm的记作作T-11（3/4）；把4.44mm的的记作TT-1（1/

9、44）。由由半值角角大小可可以估计计圆形发发光强度度角分布布情况。从发光光强度角角分布图图来分有有三类：（1）高指向向性。一一般为尖尖头环氧氧封装，或是带带金属反反射腔封封装，且且不加散散射剂。半值角角为5200或更小小，具有有很高的的指向性性，可作作局部照照明光源源用，或或与光检检出器联联用以组组成自动动检测系系统。（2）标标准型。通常作作指示灯灯用，其其半值角角为200455。（3）散射型型。这是是视角较较大的指指示灯，半值角角为455900或更大大，散射射剂的量量较大。3按按发光二二极管的的结构分分按发光光二极管管的结构构分有全全环氧包包封、金金属底座座环氧封封装、陶陶瓷底座座环氧封封装

10、及玻玻璃封装装等结构构。4按发光光强度和和工作电电流分按按发光强强度和工工作电流流分有普普通亮度度的LEED（发发光强度度1000mccd）；把发光光强度在在101000mcdd间的叫叫高亮度度发光二二极管。一般LLED的的工作电电流在十十几mAA至几十十mA，而低电电流LEED的工工作电流流在2mmA以下下（亮度度与普通通发光管管相同）。除上上述分类类方法外外，还有有按芯片片材料分分类及按按功能分分类的方方法。（四）LLED的的应用由由于发光光二极管管的颜色色、尺寸寸、形状状、发光光强度及及透明情情况等不不同，所所以使用用发光二二极管时时应根据据实际需需要进行行恰当选选择。由由于发光光二极管

11、管具有最最大正向向电流IIFm、最大反反向电压压VRmm的限制制，使用用时，应应保证不不超过此此值。为为安全起起见，实实际电流流IF应应在0.6IFFm以下下；应让让可能出出现的反反向电压压VR0。66VRmm。LEED被广广泛用于于种电子子仪器和和电子设设备中，可作为为电源指指示灯、电平指指示或微微光源之之用。红红外发光光管常被被用于电电视机、录像机机等的遥遥控器中中。（11）利用用高亮度度或超高高亮度发发光二极极管制作作微型手手电的电电路如图图5所示示。图中中电阻RR限流电电阻，其其值应保保证电源源电压最最高时应应使LEED的电电流小于于最大允允许电流流IFmm。此主题相相关图片片如下：（

12、2）图图6(aa)、(b)、(c)分别为为直流电电源、整整流电源源及交流流电源指指示电路路。图(aa)中的的电阻（E-VF）/IFF；图(bb)中的的R（1.4Vii-VFF）/IIF;图(c)中中的RVi/IF式中中，Vii交流流电压有有效值。 此主题相相关图片片如下：（3）单单LEDD电平指指示电路路。在放放大器、振荡器器或脉冲冲数字电电路的输输出端，可用LLED表表示输出出信号是是否正常常，如图图7所示示。R为为限流电电阻。只只有当输输出电压压大于LLED的的阈值电电压时，LEDD才可能能发光。 此主题相相关图片片如下：（4）单单LEDD可充作作低压稳稳压管用用。由于于LEDD正向导导通

13、后，电流随随电压变变化非常常快，具具有普通通稳压管管稳压特特性。发发光二极极管的稳稳定电压压在1.433V间，应根据据需要进进行选择择VF，如图88所示。（5）电平表表。目前前，在音音响设备备中大量量使用LLED电电平表。它是利利用多只只发光管管指示输输出信号号电平的的，即发发光的LLED数数目不同同，则表表示输出出电平的的变化。图9是是由5只只发光二二极管构构成的电电平表。当输入入信号电电平很低低时，全全不发光光。输入入信号电电平增大大时，首首先LEED1亮亮，再增增大LEED2亮亮。 此主题相相关图片片如下：五）发光光二极管管的检测测1普普通发光光二极管管的检测测（1）用万用用表检测测。利

14、用用具有10kk挡的指指针式万万用表可可以大致致判断发发光二极极管的好好坏。正正常时，二极管管正向电电阻阻值值为几十十至2000k,反向向电阻的的值为。如果果正向电电阻值为为0或为为，反向向电阻值值很小或或为0，则易损损坏。这这种检测测方法，不能实实地看到到发光管管的发光光情况，因为10kk挡不能能向LEED提供供较大正正向电流流。如果果有两块块指针万万用表（最好同同型号）可以较较好地检检查发光光二极管管的发光光情况。用一根根导线将将其中一一块万用用表的“+”接线柱柱与另一一块表的的“-”接线柱柱连接。余下的的“-”笔接被被测发光光管的正正极（PP区），余下的的“+”笔接被被测发光光管的负负极

15、（NN区）。两块万万用表均均置10挡。正正常情况况下，接接通后就就能正常常发光。若亮度度很低，甚至不不发光，可将两两块万用用表均拨拨至1若，若若仍很暗暗，甚至至不发光光，则说说明该发发光二极极管性能能不良或或损坏。应注意意，不能能一开始始测量就就将两块块万用表表置于1，以免免电流过过大，损损坏发光光二极管管。（22）外接接电源测测量。用用3V稳稳压源或或两节串串联的干干电池及及万用表表（指针针式或数数字式皆皆可）可可以较准准确测量量发光二二极管的的光、电电特性。为此可可按图110所示示连接电电路即可可。如果果测得VVF在11.43V之之间，且且发光亮亮度正常常，可以以说明发发光正常常。如果果测

16、得VVF=00或VFF3V，且不发发光，说说明发光光管已坏坏。 此主题相相关图片片如下：2红外外发光二二极管的的检测由由于红外外发光二二极管，它发射射133m的红红外光，人眼看看不到。通常单单只红外外发光二二极管发发射功率率只有数数mW，不同型型号的红红外LEED发光光强度角角分布也也不相同同。红外外LEDD的正向向压降一一般为11.32.55V。正正是由于于其发射射的红外外光人眼眼看不见见，所以以利用上上述可见见光LEED的检检测法只只能判定定其PNN结正、反向电电学特性性是否正正常，而而无法判判定其发发光情况况正常否否。为此此，最好好准备一一只光敏敏器件（如2CCR、22DR型型硅光电电池

17、）作作接收器器。用万万用表测测光电池池两端电电压的变变化情况况。来判判断红外外LEDD加上适适当正向向电流后后是否发发射红外外光。其其测量电电路如图图11所所示。 此主题相相关图片片如下：二、LEED显示示器结构构及分类类通过发光光二极管管芯片的的适当连连接（包包括串联联和并联联）和适适当的光光学结构构。可构构成发光光显示器器的发光光段或发发光点。由这些些发光段段或发光光点可以以组成数数码管、符号管管、米字字管、矩矩阵管、电平显显示器管管等等。通常把把数码管管、符号号管、米米字管共共称笔画画显示器器，而把把笔画显显示器和和矩阵管管统称为为字符显显示器。（一）LLED显显示器结结构基本的半半导体

18、数数码管是是由七个个条状发发光二极极管芯片片按图112排列列而成的的。可实实现09的显显示。其其具体结结构有“反射罩罩式”、“条形七七段式”及“单片集集成式多多位数字字式”等。 此主题相相关图片片如下：1）反射射罩式数数码管一一般用白白色塑料料做成带带反射腔腔的七段段式外壳壳，将单单个LEED贴在在与反射射罩的七七个反射射腔互相相对位的的印刷电电路板上上，每个个反射腔腔底部的的中心位位置就是是LEDD芯片。在装反反射罩前前，用压压焊方法法在芯片片和印刷刷电路上上相应金金属条之之间连好好30m的硅硅铝丝或或金属引引线，在在反射罩罩内滴入入环氧树树脂，再再把带有有芯片的的印刷电电路板与与反射罩罩对

19、位粘粘合，然然后固化化。反射罩式式数码管管的封装装方式有有空封和和实封两两种。实实封方式式采用散散射剂和和染料的的环氧树树脂，较较多地用用于一位位或双位位器件。空封方方式是在在上方盖盖上滤波波片和匀匀光膜，为提高高器件的的可*性性，必须须在芯片片和底板板上涂以以透明绝绝缘胶，这还可可以提高高光效率率。这种种方式一一般用于于四位以以上的数数字显示示（或符符号显示示）。（2）条条形七段段式数码码管属于于混合封封装形式式。它是是把做好好管芯的的磷化镓镓或磷化化镓圆片片，划成成内含一一只或数数只LEED发光光条，然然后把同同样的七七条粘在在日字形形“可伐”框上，用压焊焊工艺连连好内引引线，再再用环氧氧

20、树脂包包封起来来。（3）单单片集成成式多位位数字显显示器是是在发光光材料基基片上（大圆片片），利利用集成成电路工工艺制作作出大量量七段数数字显示示图形，通过划划片把合合格芯片片选出，对位贴贴在印刷刷电路板板上，用用压焊工工艺引出出引线，再在上上面盖上上“鱼眼透透镜”外壳。它们适适用于小小型数字字仪表中中。（4）符符号管、米字管管的制作作方式与与数码管管类似。（5）矩矩阵管（发光二二极管点点阵）也也可采用用类似于于单片集集成式多多位数字字显示器器工艺方方法制作作。（二）LLED显显示器分分类（1）按按字高分分：笔画画显示器器字高最最小有11mm（单片集集成式多多位数码码管字高高一般在在233mm

21、）。其他他类型笔笔画显示器器最高可可达122.7mmm（00.5英英寸）甚甚至达数数百mmm。（2）按按颜色分分有红、橙、黄黄、绿等等数种。（3）按按结构分分，有反反射罩式式、单条条七段式式及单片片集成式式。（4）从从各发光光段电极极连接方方式分有有共阳极极和共阴阴极两种种。所谓共阳阳方式是是指笔画画显示器器各段发发光管的的阳极（即P区区）是公公共的，而阴极极互相隔隔离。所谓共阴阴方式是是笔画显显示器各各段发光光管的阴阴极（即即N区）是公共共的，而而阳极是是互相隔隔离的。如图113所示示。 （三）LLED显显示器的的参数由于LEED显示示器是以以LEDD为基础础的，所所以它的的光、电电特性及及

22、极限参参数意义义大部分分与发光光二极管管的相同同。但由由于LEED显示示器内含含多个发发光二极极管，所所以需有有如下特特殊参数数：1发光光强度比比由于数码码管各段段在同样样的驱动动电压时时，各段段正向电电流不相相同，所所以各段段发光强强度不同同。所有有段的发发光强度度值中最最大值与与最小值值之比为为发光强强度比。比值可可以在11.52.33间，最最大不能能超过22.5。2脉冲冲正向电电流若笔画显显示器每每段典型型正向直直流工作作电流为为IF，则在脉脉冲下，正向电电流可以以远大于于IF。脉冲占占空比越越小，脉脉冲正向向电流可可以越大大。（四）LLED显显示器的的应用指指南1七段段数码显显示器（1

23、）如如果数码码宇航局局为共阳阳极形式式，那么么它的驱驱动级应应为集电电极开路路（OCC）结构构，如图图14（a）所所示。如果数码码管为共共阴极形形式，它它的驱动动级应为为射极输输出或源源极输出出电路，如图114(bb)所示示。 此主题相相关图片片如下：例如国产产TTLL集成电电路CTT10449、CCT40049为为集电极极开路形形式七段段字形译译码驱动动电路；而CMMOS集集成电路路CC445111为源极极输出七七段锁存存、译码码驱动电电路。（2）控控制数码码管驱动动级的控控制电路路（也称称驱动电电路）有有静态式式和动态态式两类类。 静态态驱动：静态驱驱动也称称直流驱驱动。静静态驱动动是指每

24、每个数码码管各用用一个笔笔画译码码器（如如BCDD码二-十进制制译码器器）译码码驱动。图155是一位位数码管管的静态态驱动之之例。图图集成电电路TCC50002BPP内含有有射极输输出驱动动级，所所以采用用共阴极极数码管管。A、B、CC、D端端为BCCD码（二-十十进制的的84221码）输入端端，BLL为数码码管熄灭灭及显示示状态控控制端，R为外外接电阻阻。 此主题相相关图片片如下：图16为为N位数数字静态态驱动显显示电路路。 此主题相相关图片片如下： 动态态驱动：动态驱驱动是将将所有数数码管使使用一个个专门的的译码驱驱动器，使各位位数码管管逐个轮轮流受控控显示，这就是是动态驱驱动。由由于扫描描速度极极快。显显示效果果与静态态驱动相相同。图图17是是一种四四位数字字动态驱驱动（脉脉搏冲驱驱动）方方法的线线路。图图中只用用了一个个译码驱驱动电路路TC550022BP。此主题相相关图片片如下：TC45508BBP内含含两个锁锁存器，每个锁锁存器可可锁存四四位二进进BCDD码，对对应于四四位十进进制数的的四组BBCD码码分别输输入到四四个锁存存器，四四个锁存存器，四四组BCCD码由由四个锁锁存器分分时轮流流输出进进入译码码器，译译码后进进入数码码管驱动动级集成成电路TTD6225055P（输输入端II1II7与输输出端QQ1QQ7一一一对应）。Q11Q77分别加加到四