LED基礎(chǔ)理論知識

1、LED基本理論知識半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡稱LED）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。一、 半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性及應(yīng)用（一）LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合

2、而發(fā)光，如圖1所示。 此主題相關(guān)圖片如下：假設(shè)發(fā)光光是在PP區(qū)中發(fā)發(fā)生的，那么注注入的電電子與價價帶空穴穴直接復(fù)復(fù)合而發(fā)發(fā)光，或或者先被被發(fā)光中中心捕獲獲后，再再與空穴穴復(fù)合發(fā)發(fā)光。除除了這種種發(fā)光復(fù)復(fù)合外，還有些些電子被被非發(fā)光光中心（這個中中心介于于導(dǎo)帶、介帶中中間附近近）捕獲獲，而后后再與空空穴復(fù)合合，每次次釋放的的能量不不大，不不能形成成可見光光。發(fā)光光的復(fù)合合量相對對于非發(fā)發(fā)光復(fù)合合量的比比例越大大，光量量子效率率越高。由于復(fù)復(fù)合是在在少子擴擴散區(qū)內(nèi)內(nèi)發(fā)光的的，所以以光僅在在*近PPN結(jié)面面數(shù)m以內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生。理論和和實踐證證明，光光的峰值值波長與發(fā)光光區(qū)域的的半導(dǎo)體體材料禁禁帶寬度度g

3、有有關(guān)，即即12440/EEg（mmm）式式中Egg的單位位為電子子伏特（eV）。若能能產(chǎn)生可可見光（波長在在3800nm紫紫光7780nnm紅光光），半半導(dǎo)體材材料的EEg應(yīng)在在3.22611.633eV之之間。比比紅光波波長長的的光為紅紅外光?，F(xiàn)在已已有紅外外、紅、黃、綠綠及藍光光發(fā)光二二極管，但其中中藍光二二極管成成本、價價格很高高，使用用不普遍遍。（二二）LEED的特特性1極限參參數(shù)的意意義（11）允許許功耗PPm:允允許加于于LEDD兩端正正向直流流電壓與與流過它它的電流流之積的的最大值值。超過過此值，LEDD發(fā)熱、損壞。（2）最大正正向直流流電流IIFm：允許加加的最大大的正向向直

4、流電電流。超超過此值值可損壞壞二極管管。（33）最大大反向電電壓VRRm：所所允許加加的最大大反向電電壓。超超過此值值，發(fā)光光二極管管可能被被擊穿損損壞。（4）工工作環(huán)境境toppm:發(fā)發(fā)光二極極管可正正常工作作的環(huán)境境溫度范范圍。低低于或高高于此溫溫度范圍圍，發(fā)光光二極管管將不能能正常工工作，效效率大大大降低。2電電參數(shù)的的意義（1）光光譜分布布和峰值值波長：某一個個發(fā)光二二極管所所發(fā)之光光并非單單一波長長，其波波長大體體按圖22所示。此主題相相關(guān)圖片片如下：由圖可見見，該發(fā)發(fā)光管所所發(fā)之光光中某一一波長0的光光強最大大，該波波長為峰峰值波長長。（22）發(fā)光光強度IIV：發(fā)發(fā)光二極極管的發(fā)發(fā)

5、光強度度通常是是指法線線（對圓圓柱形發(fā)發(fā)光管是是指其軸軸線）方方向上的的發(fā)光強強度。若若在該方方向上輻輻射強度度為（11/6883）WW/srr時，則則發(fā)光11坎德拉拉（符號號為cdd）。由由于一般般LEDD的發(fā)光光二強度度小，所所以發(fā)光光強度常常用坎德德拉(mmcd)作單位位。（33）光譜譜半寬度度:它它表示發(fā)發(fā)光管的的光譜純純度.是是指圖33中1/2峰值值光強所所對應(yīng)兩兩波長之之間隔.（4）半值角角1/22和視角角：1/22是指發(fā)發(fā)光強度度值為軸軸向強度度值一半半的方向向與發(fā)光光軸向（法向）的夾角角。半值值角的22倍為視視角（或或稱半功功率角）。 此主題相相關(guān)圖片片如下：圖3給出出的二只只

6、不同型型號發(fā)光光二極管管發(fā)光強強度角分分布的情情況。中中垂線（法線）AO的的坐標為為相對發(fā)發(fā)光強度度（即發(fā)發(fā)光強度度與最大大發(fā)光強強度的之之比）。顯然，法線方方向上的的相對發(fā)發(fā)光強度度為1，離開法法線方向向的角度度越大，相對發(fā)發(fā)光強度度越小。由此圖圖可以得得到半值值角或視視角值。（5）正向工工作電流流If：它是指指發(fā)光二二極管正正常發(fā)光光時的正正向電流流值。在在實際使使用中應(yīng)應(yīng)根據(jù)需需要選擇擇IF在在0.66IFmm以下。（6）正向工工作電壓壓VF：參數(shù)表表中給出出的工作作電壓是是在給定定的正向向電流下下得到的的。一般般是在IIF=220mAA時測得得的。發(fā)發(fā)光二極極管正向向工作電電壓VFF在

7、1.433V。在在外界溫溫度升高高時，VVF將下下降。（7）VV-I特特性：發(fā)發(fā)光二極極管的電電壓與電電流的關(guān)關(guān)系可用用圖4表表示。 此主題相相關(guān)圖片片如下：在正向電電壓正小小于某一一值（叫叫閾值）時，電電流極小小，不發(fā)發(fā)光。當當電壓超超過某一一值后，正向電電流隨電電壓迅速速增加，發(fā)光。由V-I曲線線可以得得出發(fā)光光管的正正向電壓壓，反向向電流及及反向電電壓等參參數(shù)。正正向的發(fā)發(fā)光管反反向漏電電流IRR100A以下下。（三三）LEED的分分類1 按發(fā)發(fā)光管發(fā)發(fā)光顏色色分按發(fā)發(fā)光管發(fā)發(fā)光顏色色分，可可分成紅紅色、橙橙色、綠綠色（又又細分黃黃綠、標標準綠和和純綠）、藍光光等。另另外，有有的發(fā)光光二

8、極管管中包含含二種或或三種顏顏色的芯芯片。根根據(jù)發(fā)光光二極管管出光處處摻或不不摻散射射劑、有有色還是是無色，上述各各種顏色色的發(fā)光光二極管管還可分分成有色色透明、無色透透明、有有色散射射和無色色散射四四種類型型。散射射型發(fā)光光二極管管和達于于做指示示燈用。2 按發(fā)光光管出光光面特征征分按發(fā)發(fā)光管出出光面特特征分圓圓燈、方方燈、矩矩形、面面發(fā)光管管、側(cè)向向管、表表面安裝裝用微型型管等。圓形燈燈按直徑徑分為2mmm、4.44mm、5mmm、8mmm、10mmm及20mmm等。國外通通常把3mmm的發(fā)光光二極管管記作TT-1；把5mmm的記作作T-11（3/4）；把4.44mm的的記作TT-1（1/

9、44）。由由半值角角大小可可以估計計圓形發(fā)發(fā)光強度度角分布布情況。從發(fā)光光強度角角分布圖圖來分有有三類：（1）高指向向性。一一般為尖尖頭環(huán)氧氧封裝，或是帶帶金屬反反射腔封封裝，且且不加散散射劑。半值角角為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，或或與光檢檢出器聯(lián)聯(lián)用以組組成自動動檢測系系統(tǒng)。（2）標標準型。通常作作指示燈燈用，其其半值角角為200455。（3）散射型型。這是是視角較較大的指指示燈，半值角角為455900或更大大，散射射劑的量量較大。3按按發(fā)光二二極管的的結(jié)構(gòu)分分按發(fā)光光二極管管的結(jié)構(gòu)構(gòu)分有全全環(huán)氧包包封、金金屬底座座環(huán)氧封封裝、陶陶瓷底座座環(huán)氧封封裝

10、及玻玻璃封裝裝等結(jié)構(gòu)構(gòu)。4按發(fā)光光強度和和工作電電流分按按發(fā)光強強度和工工作電流流分有普普通亮度度的LEED（發(fā)發(fā)光強度度1000mccd）；把發(fā)光光強度在在101000mcdd間的叫叫高亮度度發(fā)光二二極管。一般LLED的的工作電電流在十十幾mAA至幾十十mA，而低電電流LEED的工工作電流流在2mmA以下下（亮度度與普通通發(fā)光管管相同）。除上上述分類類方法外外，還有有按芯片片材料分分類及按按功能分分類的方方法。（四）LLED的的應(yīng)用由由于發(fā)光光二極管管的顏色色、尺寸寸、形狀狀、發(fā)光光強度及及透明情情況等不不同，所所以使用用發(fā)光二二極管時時應(yīng)根據(jù)據(jù)實際需需要進行行恰當選選擇。由由于發(fā)光光二極管

11、管具有最最大正向向電流IIFm、最大反反向電壓壓VRmm的限制制，使用用時，應(yīng)應(yīng)保證不不超過此此值。為為安全起起見，實實際電流流IF應(yīng)應(yīng)在0.6IFFm以下下；應(yīng)讓讓可能出出現(xiàn)的反反向電壓壓VR0。66VRmm。LEED被廣廣泛用于于種電子子儀器和和電子設(shè)設(shè)備中，可作為為電源指指示燈、電平指指示或微微光源之之用。紅紅外發(fā)光光管常被被用于電電視機、錄像機機等的遙遙控器中中。（11）利用用高亮度度或超高高亮度發(fā)發(fā)光二極極管制作作微型手手電的電電路如圖圖5所示示。圖中中電阻RR限流電電阻，其其值應(yīng)保保證電源源電壓最最高時應(yīng)應(yīng)使LEED的電電流小于于最大允允許電流流IFmm。此主題相相關(guān)圖片片如下：（

12、2）圖圖6(aa)、(b)、(c)分別為為直流電電源、整整流電源源及交流流電源指指示電路路。圖(aa)中的的電阻（E-VF）/IFF；圖(bb)中的的R（1.4Vii-VFF）/IIF;圖(c)中中的RVi/IF式中中，Vii交流流電壓有有效值。 此主題相相關(guān)圖片片如下：（3）單單LEDD電平指指示電路路。在放放大器、振蕩器器或脈沖沖數(shù)字電電路的輸輸出端，可用LLED表表示輸出出信號是是否正常常，如圖圖7所示示。R為為限流電電阻。只只有當輸輸出電壓壓大于LLED的的閾值電電壓時，LEDD才可能能發(fā)光。 此主題相相關(guān)圖片片如下：（4）單單LEDD可充作作低壓穩(wěn)穩(wěn)壓管用用。由于于LEDD正向?qū)?dǎo)通

13、后，電流隨隨電壓變變化非常常快，具具有普通通穩(wěn)壓管管穩(wěn)壓特特性。發(fā)發(fā)光二極極管的穩(wěn)穩(wěn)定電壓壓在1.433V間，應(yīng)根據(jù)據(jù)需要進進行選擇擇VF，如圖88所示。（5）電平表表。目前前，在音音響設(shè)備備中大量量使用LLED電電平表。它是利利用多只只發(fā)光管管指示輸輸出信號號電平的的，即發(fā)發(fā)光的LLED數(shù)數(shù)目不同同，則表表示輸出出電平的的變化。圖9是是由5只只發(fā)光二二極管構(gòu)構(gòu)成的電電平表。當輸入入信號電電平很低低時，全全不發(fā)光光。輸入入信號電電平增大大時，首首先LEED1亮亮，再增增大LEED2亮亮。 此主題相相關(guān)圖片片如下：五）發(fā)光光二極管管的檢測測1普普通發(fā)光光二極管管的檢測測（1）用萬用用表檢測測。利

14、用用具有10kk擋的指指針式萬萬用表可可以大致致判斷發(fā)發(fā)光二極極管的好好壞。正正常時，二極管管正向電電阻阻值值為幾十十至2000k,反向向電阻的的值為。如果果正向電電阻值為為0或為為，反向向電阻值值很小或或為0，則易損損壞。這這種檢測測方法，不能實實地看到到發(fā)光管管的發(fā)光光情況，因為10kk擋不能能向LEED提供供較大正正向電流流。如果果有兩塊塊指針萬萬用表（最好同同型號）可以較較好地檢檢查發(fā)光光二極管管的發(fā)光光情況。用一根根導(dǎo)線將將其中一一塊萬用用表的“+”接線柱柱與另一一塊表的的“-”接線柱柱連接。余下的的“-”筆接被被測發(fā)光光管的正正極（PP區(qū)），余下的的“+”筆接被被測發(fā)光光管的負負極

15、（NN區(qū)）。兩塊萬萬用表均均置10擋。正正常情況況下，接接通后就就能正常常發(fā)光。若亮度度很低，甚至不不發(fā)光，可將兩兩塊萬用用表均撥撥至1若，若若仍很暗暗，甚至至不發(fā)光光，則說說明該發(fā)發(fā)光二極極管性能能不良或或損壞。應(yīng)注意意，不能能一開始始測量就就將兩塊塊萬用表表置于1，以免免電流過過大，損損壞發(fā)光光二極管管。（22）外接接電源測測量。用用3V穩(wěn)穩(wěn)壓源或或兩節(jié)串串聯(lián)的干干電池及及萬用表表（指針針式或數(shù)數(shù)字式皆皆可）可可以較準準確測量量發(fā)光二二極管的的光、電電特性。為此可可按圖110所示示連接電電路即可可。如果果測得VVF在11.43V之之間，且且發(fā)光亮亮度正常常，可以以說明發(fā)發(fā)光正常常。如果果測

16、得VVF=00或VFF3V，且不發(fā)發(fā)光，說說明發(fā)光光管已壞壞。 此主題相相關(guān)圖片片如下：2紅外外發(fā)光二二極管的的檢測由由于紅外外發(fā)光二二極管，它發(fā)射射133m的紅紅外光，人眼看看不到。通常單單只紅外外發(fā)光二二極管發(fā)發(fā)射功率率只有數(shù)數(shù)mW，不同型型號的紅紅外LEED發(fā)光光強度角角分布也也不相同同。紅外外LEDD的正向向壓降一一般為11.32.55V。正正是由于于其發(fā)射射的紅外外光人眼眼看不見見，所以以利用上上述可見見光LEED的檢檢測法只只能判定定其PNN結(jié)正、反向電電學(xué)特性性是否正正常，而而無法判判定其發(fā)發(fā)光情況況正常否否。為此此，最好好準備一一只光敏敏器件（如2CCR、22DR型型硅光電電池

17、）作作接收器器。用萬萬用表測測光電池池兩端電電壓的變變化情況況。來判判斷紅外外LEDD加上適適當正向向電流后后是否發(fā)發(fā)射紅外外光。其其測量電電路如圖圖11所所示。 此主題相相關(guān)圖片片如下：二、LEED顯示示器結(jié)構(gòu)構(gòu)及分類類通過發(fā)光光二極管管芯片的的適當連連接（包包括串聯(lián)聯(lián)和并聯(lián)聯(lián)）和適適當?shù)墓夤鈱W(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)。可構(gòu)構(gòu)成發(fā)光光顯示器器的發(fā)光光段或發(fā)發(fā)光點。由這些些發(fā)光段段或發(fā)光光點可以以組成數(shù)數(shù)碼管、符號管管、米字字管、矩矩陣管、電平顯顯示器管管等等。通常把把數(shù)碼管管、符號號管、米米字管共共稱筆畫畫顯示器器，而把把筆畫顯顯示器和和矩陣管管統(tǒng)稱為為字符顯顯示器。（一）LLED顯顯示器結(jié)結(jié)構(gòu)基本的半半導(dǎo)體

18、數(shù)數(shù)碼管是是由七個個條狀發(fā)發(fā)光二極極管芯片片按圖112排列列而成的的?？蓪崒崿F(xiàn)09的顯顯示。其其具體結(jié)結(jié)構(gòu)有“反射罩罩式”、“條形七七段式”及“單片集集成式多多位數(shù)字字式”等。 此主題相相關(guān)圖片片如下：1）反射射罩式數(shù)數(shù)碼管一一般用白白色塑料料做成帶帶反射腔腔的七段段式外殼殼，將單單個LEED貼在在與反射射罩的七七個反射射腔互相相對位的的印刷電電路板上上，每個個反射腔腔底部的的中心位位置就是是LEDD芯片。在裝反反射罩前前，用壓壓焊方法法在芯片片和印刷刷電路上上相應(yīng)金金屬條之之間連好好30m的硅硅鋁絲或或金屬引引線，在在反射罩罩內(nèi)滴入入環(huán)氧樹樹脂，再再把帶有有芯片的的印刷電電路板與與反射罩罩對

19、位粘粘合，然然后固化化。反射罩式式數(shù)碼管管的封裝裝方式有有空封和和實封兩兩種。實實封方式式采用散散射劑和和染料的的環(huán)氧樹樹脂，較較多地用用于一位位或雙位位器件。空封方方式是在在上方蓋蓋上濾波波片和勻勻光膜，為提高高器件的的可*性性，必須須在芯片片和底板板上涂以以透明絕絕緣膠，這還可可以提高高光效率率。這種種方式一一般用于于四位以以上的數(shù)數(shù)字顯示示（或符符號顯示示）。（2）條條形七段段式數(shù)碼碼管屬于于混合封封裝形式式。它是是把做好好管芯的的磷化鎵鎵或磷化化鎵圓片片，劃成成內(nèi)含一一只或數(shù)數(shù)只LEED發(fā)光光條，然然后把同同樣的七七條粘在在日字形形“可伐”框上，用壓焊焊工藝連連好內(nèi)引引線，再再用環(huán)氧氧

20、樹脂包包封起來來。（3）單單片集成成式多位位數(shù)字顯顯示器是是在發(fā)光光材料基基片上（大圓片片），利利用集成成電路工工藝制作作出大量量七段數(shù)數(shù)字顯示示圖形，通過劃劃片把合合格芯片片選出，對位貼貼在印刷刷電路板板上，用用壓焊工工藝引出出引線，再在上上面蓋上上“魚眼透透鏡”外殼。它們適適用于小小型數(shù)字字儀表中中。（4）符符號管、米字管管的制作作方式與與數(shù)碼管管類似。（5）矩矩陣管（發(fā)光二二極管點點陣）也也可采用用類似于于單片集集成式多多位數(shù)字字顯示器器工藝方方法制作作。（二）LLED顯顯示器分分類（1）按按字高分分：筆畫畫顯示器器字高最最小有11mm（單片集集成式多多位數(shù)碼碼管字高高一般在在233mm

21、）。其他他類型筆筆畫顯示器器最高可可達122.7mmm（00.5英英寸）甚甚至達數(shù)數(shù)百mmm。（2）按按顏色分分有紅、橙、黃黃、綠等等數(shù)種。（3）按按結(jié)構(gòu)分分，有反反射罩式式、單條條七段式式及單片片集成式式。（4）從從各發(fā)光光段電極極連接方方式分有有共陽極極和共陰陰極兩種種。所謂共陽陽方式是是指筆畫畫顯示器器各段發(fā)發(fā)光管的的陽極（即P區(qū)區(qū)）是公公共的，而陰極極互相隔隔離。所謂共陰陰方式是是筆畫顯顯示器各各段發(fā)光光管的陰陰極（即即N區(qū)）是公共共的，而而陽極是是互相隔隔離的。如圖113所示示。 （三）LLED顯顯示器的的參數(shù)由于LEED顯示示器是以以LEDD為基礎(chǔ)礎(chǔ)的，所所以它的的光、電電特性及及

22、極限參參數(shù)意義義大部分分與發(fā)光光二極管管的相同同。但由由于LEED顯示示器內(nèi)含含多個發(fā)發(fā)光二極極管，所所以需有有如下特特殊參數(shù)數(shù)：1發(fā)光光強度比比由于數(shù)碼碼管各段段在同樣樣的驅(qū)動動電壓時時，各段段正向電電流不相相同，所所以各段段發(fā)光強強度不同同。所有有段的發(fā)發(fā)光強度度值中最最大值與與最小值值之比為為發(fā)光強強度比。比值可可以在11.52.33間，最最大不能能超過22.5。2脈沖沖正向電電流若筆畫顯顯示器每每段典型型正向直直流工作作電流為為IF，則在脈脈沖下，正向電電流可以以遠大于于IF。脈沖占占空比越越小，脈脈沖正向向電流可可以越大大。（四）LLED顯顯示器的的應(yīng)用指指南1七段段數(shù)碼顯顯示器（1

23、）如如果數(shù)碼碼宇航局局為共陽陽極形式式，那么么它的驅(qū)驅(qū)動級應(yīng)應(yīng)為集電電極開路路（OCC）結(jié)構(gòu)構(gòu)，如圖圖14（a）所所示。如果數(shù)碼碼管為共共陰極形形式，它它的驅(qū)動動級應(yīng)為為射極輸輸出或源源極輸出出電路，如圖114(bb)所示示。 此主題相相關(guān)圖片片如下：例如國產(chǎn)產(chǎn)TTLL集成電電路CTT10449、CCT40049為為集電極極開路形形式七段段字形譯譯碼驅(qū)動動電路；而CMMOS集集成電路路CC445111為源極極輸出七七段鎖存存、譯碼碼驅(qū)動電電路。（2）控控制數(shù)碼碼管驅(qū)動動級的控控制電路路（也稱稱驅(qū)動電電路）有有靜態(tài)式式和動態(tài)態(tài)式兩類類。 靜態(tài)態(tài)驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)驅(qū)動也稱稱直流驅(qū)驅(qū)動。靜靜態(tài)驅(qū)動動是指每

24、每個數(shù)碼碼管各用用一個筆筆畫譯碼碼器（如如BCDD碼二-十進制制譯碼器器）譯碼碼驅(qū)動。圖155是一位位數(shù)碼管管的靜態(tài)態(tài)驅(qū)動之之例。圖圖集成電電路TCC50002BPP內(nèi)含有有射極輸輸出驅(qū)動動級，所所以采用用共陰極極數(shù)碼管管。A、B、CC、D端端為BCCD碼（二-十十進制的的84221碼）輸入端端，BLL為數(shù)碼碼管熄滅滅及顯示示狀態(tài)控控制端，R為外外接電阻阻。 此主題相相關(guān)圖片片如下：圖16為為N位數(shù)數(shù)字靜態(tài)態(tài)驅(qū)動顯顯示電路路。 此主題相相關(guān)圖片片如下： 動態(tài)態(tài)驅(qū)動：動態(tài)驅(qū)驅(qū)動是將將所有數(shù)數(shù)碼管使使用一個個專門的的譯碼驅(qū)驅(qū)動器，使各位位數(shù)碼管管逐個輪輪流受控控顯示，這就是是動態(tài)驅(qū)驅(qū)動。由由于掃描描速度極極快。顯顯示效果果與靜態(tài)態(tài)驅(qū)動相相同。圖圖17是是一種四四位數(shù)字字動態(tài)驅(qū)驅(qū)動（脈脈搏沖驅(qū)驅(qū)動）方方法的線線路。圖圖中只用用了一個個譯碼驅(qū)驅(qū)動電路路TC550022BP。此主題相相關(guān)圖片片如下：TC45508BBP內(nèi)含含兩個鎖鎖存器，每個鎖鎖存器可可鎖存四四位二進進BCDD碼，對對應(yīng)于四四位十進進制數(shù)的的四組BBCD碼碼分別輸輸入到四四個鎖存存器，四四個鎖存存器，四四組BCCD碼由由四個鎖鎖存器分分時輪流流輸出進進入譯碼碼器，譯譯碼后進進入數(shù)碼碼管驅(qū)動動級集成成電路TTD6225055P（輸輸入端II1II7與輸輸出端QQ1QQ7一一一對應(yīng)）。Q11Q77分別加加到四