LED發(fā)光二極管工作原理 (2)教程文件

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED發(fā)光二極管工作原理 (2)-光學(xué)基礎(chǔ)概念一光學(xué)基本概念1光通量定義人眼所感受的光能量的大小稱為光通量通常用字母表示光通量的單位流明lm2發(fā)光強(qiáng)度.Iv定義點(diǎn)光源向各方向發(fā)出的可見(jiàn)光在某一方向在單位立體角.d內(nèi)發(fā)出的光通量為.d則點(diǎn)光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度.Iv為Ivd/d發(fā)光強(qiáng)度.Iv的單位坎德拉cd1000mcd1cd3光出射度.M定義光源單位發(fā)光面積所發(fā)出的光通量大小Md/dA光出射度的單位勒克斯lx（1lm/m2）4光照度.E定義單位受照射面積接受的光通量大小Ed/dA光照度的單位勒克斯lx

2、（1lm/m2）5光亮度.L描述具有有限尺寸的發(fā)光體發(fā)出的可見(jiàn)光在空間的分布情況定義單位發(fā)光面積.dA在方向的發(fā)光強(qiáng)度.Iv與該單位面積在垂直于該方向平面上的投影.cosdA之比LIv/cosdA光亮度的單位坎德拉平方米cd/m26發(fā)光效率定義光源所發(fā)出的光通量和該光源所消耗的電功率的比值/發(fā)光效率的單位流明瓦lm/w白熾燈發(fā)光效率.15lm/wLED可達(dá)到.100lm/w(實(shí)驗(yàn)室值)白光的效率25lm/w7色溫黑體是指這樣一種物體它能在任何溫度下將輻射到它表面的任何波長(zhǎng)的能量全部吸收黑體的光出射度隨溫度上升而極快的上升黑=T4上式為著名的斯蒂芬玻爾滋曼定律其中為斯蒂芬玻爾滋曼常數(shù)當(dāng)光源所發(fā)出

3、的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)黑體的這個(gè)溫度就稱為該光源的顏色溫度簡(jiǎn)稱色溫.8顯色指數(shù)描述光源照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果如果各色物體受照射時(shí)效果和標(biāo)準(zhǔn)光源照射時(shí)一樣則認(rèn)為該光源的顯色性好即顯色指數(shù)高反之如果物體在受照射后顏色失真則該光源的顯色性就差即顯色指數(shù)低二顏色的基本知識(shí)1顏色及其分類顏色是不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光輻射作用于人的視覺(jué)器官所產(chǎn)生的心理感受顏色是一種物理生理及心理學(xué)有關(guān)的複雜現(xiàn)象顏色可分為非彩色和彩色兩大類根據(jù)顏色形成的物理機(jī)制的不同顏色又可分為光源色物體色及熒光色自發(fā)光形成的顏色一般稱為光源色自身不發(fā)光憑借其它光源照明通過(guò)反射或透射而形成的顏色稱為物體色物體受光照射激發(fā)

4、所產(chǎn)生的熒光與反射或透射光共同形成的顏色稱之為熒光色.2顏色的表觀特征顏色有三種表觀特征明度色調(diào)和飽和度明度表示顏色的明亮程度對(duì)于光源色明度值與發(fā)光體的光亮度有關(guān)對(duì)于物體色此值與物體的透射比或反射比有關(guān)色調(diào)是區(qū)分不同彩色的特征可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的輻射在視覺(jué)上呈現(xiàn)不同的色調(diào)如紅黃綠藍(lán)紫等等光源色的色調(diào)取決于輻射的光譜組成而物體色則既與照明光的光譜組成有關(guān)還同物體對(duì)光的選擇性吸收有關(guān)例如物體反射波長(zhǎng)為.480nm560nm的輻射吸收其它波長(zhǎng)的輻射在白光照明下呈綠色飽和度表示顏色接近光譜色的程度人們?cè)谟^察顏色時(shí)通常是在白天日光下進(jìn)行的一種顏色可以看成是某種光譜色與白色混合的結(jié)果其中光譜色的白光所

5、占的比例越大顏色接近光譜色的程度就越高飽和度高顏色則深而艷光譜色的白光成分為飽和度達(dá)到最高非彩色只有明度的差別沒(méi)有色調(diào)區(qū)分飽和度為顏色的三原色為紅（）綠（）藍(lán)（）這三種顏色可匹配所有顏色R&D1陳興榮.2003.6.2發(fā)光二極管的工作原理圖解分析發(fā)光二極管,通常稱為L(zhǎng)ED,是在電子學(xué)世界里面的真正無(wú)名英雄。它們做了許多不同工作和在各種各樣的設(shè)備都可以看見(jiàn)它的存在?；旧?發(fā)光二極管只是一個(gè)微小的電燈泡。但不像常見(jiàn)的白熾燈泡，發(fā)光二極管沒(méi)有燈絲，而且又不會(huì)特別熱。它單單是由半導(dǎo)體材料里的電子移動(dòng)而使它發(fā)光。什么是二極管二極管是半導(dǎo)體設(shè)備中的一種最常見(jiàn)的器件,大多數(shù)半導(dǎo)體最是由攙雜半導(dǎo)體材料制成(

6、原子和其它物質(zhì))發(fā)光二極管導(dǎo)體材料通常都是鋁砷化稼,在純鋁砷化稼中,所有的原子都完美的與它們的鄰居結(jié)合,沒(méi)有留下自由電子連接電流。在攙雜物質(zhì)中，額外的原子改變電平衡，不是增加自由電子就是創(chuàng)造電子可以通過(guò)的空穴。這兩樣額外的條件都使得材料更具傳導(dǎo)性。帶額外電子的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體，由于它帶有額外負(fù)電粒子，所以在N型半導(dǎo)體材料中，自由電子是從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動(dòng)。帶額外“電子空穴”的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體，由于帶有正電粒子。電子可以從另一個(gè)電子空穴跳向另一個(gè)電子空穴，從從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動(dòng)。因此，電子空穴本身就顯示出是從正電區(qū)域流向負(fù)電區(qū)域。二極管是由N型半導(dǎo)體物質(zhì)與P型半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)合，每端

7、都帶電子。這樣排列使電流只能從一個(gè)方向流動(dòng)。當(dāng)沒(méi)有電壓通過(guò)二極管時(shí)，電子就沿著過(guò)渡層之間的匯合處從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，從而形成一個(gè)損耗區(qū)。在損耗區(qū)中，半導(dǎo)體物質(zhì)會(huì)回復(fù)到它原來(lái)的絕緣狀態(tài)-所有的這些“電子空穴”都會(huì)被填滿，所有就沒(méi)有自由電子或電子真空區(qū)和電流不能流動(dòng)。為了除掉損耗區(qū)就必須使N型向P型移動(dòng)和空穴應(yīng)反向移動(dòng)。為了達(dá)到目的，連接二極管N型一方到電流的負(fù)極和P型就連接到電流的正極。這時(shí)在N型物質(zhì)的自由電子會(huì)被負(fù)極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質(zhì)中的電子空穴就移向另一方向。當(dāng)電壓在電子之間足夠高的時(shí)候，在損耗區(qū)的電子將會(huì)在它的電子空穴中和再次開(kāi)始自由移動(dòng)。損耗區(qū)消失，電流流通過(guò)二

8、極管。如果嘗試使電流向其它方向流動(dòng)，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時(shí)電流將不會(huì)流動(dòng)。N型物質(zhì)的負(fù)極電子被吸引到正極電子。P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e(cuò)誤的方向移動(dòng)所以就沒(méi)有電流流通過(guò)匯合處，損耗區(qū)增加。為什么二極管會(huì)發(fā)光光是能量的一種形式，一種可以被原子釋放出來(lái)。是由許多有能量和動(dòng)力但沒(méi)質(zhì)量的微小粒子似的小捆組成的。這些粒子被叫做光子，是光的最基本單位。光子是因?yàn)殡娮右苿?dòng)才釋放出來(lái)。在原子中，電子在原子的四周圍以軌道形式移動(dòng)。電子在不同的軌函數(shù)有著不同等的能量。通常來(lái)說(shuō)，有著更大能量的電子以軌道移動(dòng)遠(yuǎn)離了核子。當(dāng)電子從一個(gè)更低的軌道跳到一個(gè)更高的軌

9、道，能量水平就增高，反過(guò)來(lái)，當(dāng)從更高軌函數(shù)跌落到更低的軌函數(shù)里時(shí)電子就會(huì)釋放能量。能量是以光子形式釋放出來(lái)的。更高能量下降釋放更高能量的光子，它的特點(diǎn)在于它的高頻率。自由電子從P型層通過(guò)二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導(dǎo)帶跌落到一個(gè)更低的軌函數(shù)，所以電子就是以光子形式釋放能量。這在任何二極管里都會(huì)發(fā)生的，當(dāng)二極管是由某種物質(zhì)組成的時(shí)候，你只是可以看見(jiàn)光子。在標(biāo)準(zhǔn)硅二極管的原子，比如說(shuō)，當(dāng)電子跌落到相對(duì)短距離原子是以這樣的方式排列。結(jié)果，由于電子頻率這么低的情況下人的眼睛是無(wú)法看得到的?？梢?jiàn)光發(fā)光二極管，比如用在數(shù)字顯示式時(shí)鐘的，間隙的大小決定了光子的頻率，換句話說(shuō)就是決定了光的色彩。當(dāng)所有二

10、極管都發(fā)出光時(shí)，大多數(shù)都不是很有效的。在普通二極管里，半導(dǎo)體材料本身吸引大量的光能而結(jié)束。發(fā)光二極管是由一個(gè)塑性燈泡覆蓋集中燈光在一個(gè)特定方向。發(fā)光二極管比傳統(tǒng)的白熾燈有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)是發(fā)光二極管沒(méi)有燈絲會(huì)燒壞，所以壽命就更長(zhǎng)。此外，發(fā)光二極管的小小塑性燈泡使得發(fā)光二極管更持久耐用。還可以更加容易適合現(xiàn)在的電子電路。傳統(tǒng)白熾燈的發(fā)光過(guò)程包含了產(chǎn)生大量熱量。這是完全是浪費(fèi)能源。除非你把燈當(dāng)做發(fā)熱器用，因?yàn)榻^大部分有效電流并不是直接產(chǎn)生可見(jiàn)光的。發(fā)光二極管所發(fā)出的熱非常少，相對(duì)來(lái)說(shuō)，越多電能直接發(fā)光就是越大程度上減少對(duì)電能的需求。直到現(xiàn)在，因?yàn)槭怯孟冗M(jìn)半導(dǎo)體材料制造所以發(fā)光二極管在大多數(shù)照明應(yīng)用

11、上還過(guò)于昂貴。半導(dǎo)體器件的價(jià)格在過(guò)去10年里大幅度地降低，然而，使得發(fā)光二極管在更廣的應(yīng)用下的一個(gè)更劃算照明選擇，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，發(fā)光二極管將會(huì)在世界技術(shù)上扮演更加大的角色。LED發(fā)光二極管工作原理及檢測(cè)方法發(fā)光二極管LED（Light-EmittingDiode）是能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的結(jié)型電致發(fā)光半導(dǎo)體器件。1、發(fā)光二極管LED主要特點(diǎn)（1）在低電壓（1.52.5V）、小電流(530mA)的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。（2）發(fā)光響應(yīng)速度快（10-710-9s），高頻特性好，能顯示脈沖信息。（3）單色性好，常見(jiàn)顏色有紅、綠、黃、橙等。（4）體積小。發(fā)光面形狀分圓形、長(zhǎng)方形、異形（三角形

12、等）。其中圓形管子的外徑有1、2、3、4、5、8、10、12、15、20（mm）等規(guī)格，直徑1mm的屬于超微型LED。（5）防震動(dòng)及抗沖擊穿性能好，功耗低，壽命長(zhǎng)。由于LED的PN結(jié)工作在正向?qū)顟B(tài)，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可長(zhǎng)期使用，壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。（6）使用靈活，根據(jù)需要可制成數(shù)碼管、字符管、電平顯示器、點(diǎn)陣顯示器、固體發(fā)光板、LED平極型電視屏等。（7）容易與數(shù)字集成電路匹配。2發(fā)光二極管的原理發(fā)光二極管內(nèi)部是具有發(fā)光特性的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注入以及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光。普通發(fā)光二極管的外形、符號(hào)及伏安特性如圖1所示。LED

13、正向伏安特性曲線比較陡，在正向?qū)ㄖ皫缀跤须娏?。?dāng)電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，其發(fā)光亮度L（單位cd/m2，讀作坎德拉每平方米）與正向電流IF近似成正雙，有公式L=KIFm式中，K為比例系數(shù)，在小電流范圍內(nèi)（IF=110mA），m=1.31.5。當(dāng)IF10mA時(shí)，m=1，式（5.10.1）簡(jiǎn)化成L=KIF即亮度與正向電流成正比。以磷砷化鎵黃色LED為例，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的關(guān)系如圖2所示。LED的正向電壓則與正向電流以及管芯的半導(dǎo)體材料有關(guān)。使用時(shí)應(yīng)根據(jù)所要求的顯示亮度來(lái)選取合適的IF值（一般選10mA左右，對(duì)于高亮度LED可選12mA），既

14、保證亮度適中，也不會(huì)損壞LED。若電流過(guò)大，會(huì)燒毀LED的PN結(jié)。此外，LED的使用壽命將縮短。由于發(fā)光二極管的功耗低、體積小，色彩鮮艷、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)，所以常用作收錄機(jī)、收音機(jī)和電子儀器的電平指示器、調(diào)諧指示器、電源指示器等。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r(shí)有一定穩(wěn)壓作用，還可作直流穩(wěn)壓器中的穩(wěn)壓二極管，提供基準(zhǔn)電壓，兼作電源指示燈。目前市場(chǎng)上還有一種帶反射腔及固定裝置的發(fā)光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在儀器面板上。LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體材料的特性。常見(jiàn)管芯材料有磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAsP）、磷砷化鎵（GaAlAs）、砷鋁

15、化鎵（GaN）氮化鎵可發(fā)藍(lán)光。3使用注意事項(xiàng)（1）管子極性不得接反，一般講引線較長(zhǎng)的為正極，引線較短的是負(fù)極。（2）使用中各項(xiàng)參數(shù)不得超過(guò)規(guī)定極限值。正向電流IF不允許超過(guò)極限工作電流IFM值，并且隨著環(huán)境溫度的升高，必須作降額使用。長(zhǎng)期使用溫度不宜超過(guò)75。（3）焊接時(shí)間應(yīng)盡量短，焊點(diǎn)不能在管腳根部。焊接時(shí)應(yīng)使用鑷子夾住管腳根部散熱，宜用中性助焊劑（松香）或選用松香焊錫絲。（4）嚴(yán)禁用有機(jī)溶液浸泡或清洗。（5）LED的驅(qū)動(dòng)電路必須加限流電阻，一般可取一百歐至幾百歐，視電源電壓而定。（6）在發(fā)光亮度基本不變的情況下，采用脈沖電壓驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省耗電。對(duì)于LED點(diǎn)陣顯示器，采用掃描顯示方式能大大降低

16、整機(jī)功耗。4檢查發(fā)光二極管的好壞發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，使用R10k檔可測(cè)出其正、反向電阻。一般正向電阻應(yīng)小于30k歐姆，反向電阻應(yīng)大于1M歐姆。若正、反向電阻均為零，說(shuō)明內(nèi)部擊穿短路。若正、反向電阻均為無(wú)窮大，證明內(nèi)部開(kāi)路。常見(jiàn)發(fā)光二極管的種類及主要參數(shù)見(jiàn)表2。需要說(shuō)明兩點(diǎn)：第一，對(duì)于同種材料的管芯，由于所摻雜質(zhì)的不同，發(fā)光顏色亦不同；第二，LED屬于電流控制型器件，VF隨IF而變化，所標(biāo)VF值僅供參考。此外，根據(jù)外形也可以區(qū)分發(fā)光二極管的正、負(fù)極。早期生產(chǎn)的管子帶金屬管座，上面罩一光學(xué)透鏡，管側(cè)有一突起，靠近突起的是正極。目前生產(chǎn)的LED，全部用透明或半透明的環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，并且利用環(huán)

17、氧樹(shù)脂構(gòu)成透鏡，起放大和聚焦作用，這類管子引線較長(zhǎng)的為正極。注意事項(xiàng)：不推薦使用R1k檔測(cè)量LED的正、反向電阻。因?yàn)樵摍n電池電壓E僅僅測(cè)量正、反向電阻，并不能檢查其能否正常發(fā)光。由于發(fā)光二極管的正向電壓VF一般1.52.5V，而萬(wàn)用表R1或R10檔的電池電壓為1.5V，所以不能使管子正向?qū)ú⑶野l(fā)光。R10k檔的電池電壓雖然較高，但因內(nèi)阻太大，提供的正向電流很小，管子也不會(huì)正常發(fā)光。采用雙表法可以檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。最好選同一種型號(hào)的兩塊萬(wàn)用表，均撥一R1或R10檔，按圖1(a)所示串聯(lián)使用，以提供較高的正向電壓。等效電路見(jiàn)(b)圖。假定兩塊萬(wàn)用表均采用MF30型，并且均撥到R1檔。因?yàn)橐粔K表的電池電壓E=1.5V，歐姆中心值R0=25歐姆，所以總電壓和總電阻分別是E=2E=21.5=3VR0=2R0=225=50歐姆如果把它們看成一塊新表，等效電路就簡(jiǎn)成（c）圖。新表的滿度電流是：IM=E/R0=2E/2R0=E/R0=IM可見(jiàn)滿度電流值并未改變。發(fā)光二極管在使用時(shí)應(yīng)加上限流電阻R，將正向電流IF限制在1030mA為宜