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揭開發光二極管的工作條件-小知識
2019.07.23

半導體發光器件包括半導體發光二極管(簡稱LED)、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏(簡稱矩陣管)等。事實上,數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發光單元都是一個發光二極管。

LED發光原理

發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光,如圖1所示。

發光二極管的工作條件

假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。理論和實踐證明,光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380nm紫光~780nm紅光),半導體材料的Eg應在3.26~1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?,F在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍。

LED的基本工作條件

LED是一種電流驅動的低電壓單向導電器件,為保證LED正常工作,必須滿足以下幾個方面的基本要求。

(1)輸入直流電壓必須不低于LED的正向電壓降,否則,LED不會導通而發光。

(2)采用直流電流或單向脈沖電流驅動,當驅動并聯的LED或LED串時,要求恒流而不是恒壓供電。

圖1給出了隨機抽取的6只白光LED(其中A商標和B商標各3只)的正向電流IF隨正向電壓TIE變化的關系曲線。如果用恒定電壓驅動這6只(相并聯)LED,它們之間的正向電流相差較大,例如用3.4V驅動,正向電流范圍為l 0~44mA,這就使得各只LEDˉ的亮度和色度存在較大的差異。

LED所允許的額定電流(30mA)隨溫度的升高而減小,如圖2所示。由該圖可知,當環境溫度升至50C時,額定電流降至20mA,在此情況下,為防止LED燒毀,驅動電流必須限制在20mA之內。因此,為避免LED的驅動電流超過最大額定值,影響其可靠性,同時為獲得預期的亮度要求,保證各個LED亮度和色度的一致性,應采用恒定電流驅動方式,而不是恒壓方式。

發光二極管的工作條件

圖1 6只白光LED的正向電流隨正向電壓變化的關系曲線


發光二極管電參數的意義

(1)光譜分布和峰值波長:某一個發光二極管所發之光并非單一波長,其波長大體按圖2所示。由圖可見,該發光管所發之光中某一波長λ0的光強最大,該波長為峰值波長。

(2)發光強度IV:發光二極管的發光強度通常是指法線(對圓柱形發光管是指其軸線)方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時,則發光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發光二強度小,所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。 

(3)光譜半寬度Δλ:它表示發光管的光譜純度。是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔。

(4)半值角θ1/2和視角:θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向(法向)的夾角。半值角的2倍為視角(或稱半功率角)。

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