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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

  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……。

  (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×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。


  二、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。

  三、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。


  四、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。

  五、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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