《光電技術(shù)應(yīng)用》情境二　 光電器件及應(yīng)用

情境二光電器件及應(yīng)用任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品任務(wù)描述一、內(nèi)光電效應(yīng)被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子(自由電子或空穴)仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種，即光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。１.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種。本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象，稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品２.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射光的輻射作用在半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在ＰＮ結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。二、光敏電阻概述光敏電阻器是一種電導(dǎo)率隨吸收的光量子多少而變化的電子元件。當(dāng)某種物質(zhì)受到光的照射時，載流子濃度增加，從而增加了電導(dǎo)率，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)。這種附加的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料(如Ｓｉ、Ｇｅ等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體以及ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ等)可以制成電導(dǎo)率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導(dǎo)器件。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品１.光敏電阻分類根據(jù)光敏電阻器的光譜特性，光敏電阻器可分為以下幾類:紫外光敏電阻器，用于探測紫外線；可見光敏電阻器，主要用于自動控制、光電跟蹤以及照相機的自動曝光等場合；紅外光敏電阻器，主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、光報警裝置、人體病變探測、紅外通信等工作中。２.光敏電阻結(jié)構(gòu)組成在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻陶瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)，如圖２－１所示。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品三、光敏電阻應(yīng)用電路測量光敏電阻屬于半導(dǎo)體光敏器件，除具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性及Ｒ值一致性好等特點外，在高溫、潮濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性?？蓮V泛應(yīng)用于照相機、太陽能庭院燈、草坪燈、驗鈔機、石英鐘、音樂杯、禮品盒、迷你小夜燈、光聲控開關(guān)、路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具、光控?zé)麸?、燈具等自動開關(guān)控制領(lǐng)域。光敏電阻應(yīng)用測量內(nèi)容主要包括:(１)任務(wù)實施過程中，找準(zhǔn)光敏電路控制電路結(jié)構(gòu)。(２)根據(jù)任務(wù)描述，在教師指導(dǎo)下正確使用儀器儀表，得到所安排的測量要求。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品(３)在明暗環(huán)境發(fā)生變化的情況下，對比電路結(jié)構(gòu)和光敏電阻在電路中的工作情況。(４)在規(guī)定課時內(nèi)完成幾個應(yīng)用電路的認(rèn)識。相關(guān)知識一、光敏電阻調(diào)光電路光控調(diào)光電路工作原理是當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻ＲＧ的阻值增加，使加在電容Ｃ上的分壓上升，進而使可控硅的導(dǎo)通角增大，達(dá)到增大照明燈兩端電壓的目的；反之，若周圍的光線變亮，則ＲＧ的阻值下降，導(dǎo)致可控硅的導(dǎo)通角變小，照明燈兩端的電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對燈光照度的控制，如圖２－２所示。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品二、光敏電阻光控開關(guān)電路以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等。１.暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路一種簡單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路工作原理:當(dāng)照度下降到設(shè)置值時由于光敏電阻阻值上升激發(fā)ＶＴ１導(dǎo)通，ＶＴ２的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制，如圖２－３所示。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品２.暗激發(fā)時滯繼電器開關(guān)電路其工作原理是當(dāng)照度下降到設(shè)置值時由于光敏電阻阻值上升使運放ＩＣ的反相端電位升高，其輸出激發(fā)ＶＴ導(dǎo)通，ＶＴ的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制，如圖２－４所示。三、照明燈的光電控制電路其工作原理是晚上光線很暗，ＣｄＳ光敏電阻ＲＧ阻值很大，流過繼電器的電流很小，使繼電器不動作，路燈接通電源點亮。早上，天漸漸變亮，即照度逐漸增大，ＣｄＳ光敏電阻ＲＧ受光照后阻值變小，流過繼電器的電流逐漸增大，當(dāng)照度達(dá)到一定值時，流過繼電器的電流足以使繼電器動作，使其閉合，如圖２－５所示。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品四、照相機自動曝光電路照相機的自動曝光控制，最早是以曝光表表頭控制的速度優(yōu)先光圈自動的方式實現(xiàn)的。目前在自動控制中這種方式已被淘汰，而主要應(yīng)用電子快門(光圈優(yōu)先快門自動)和電子程序快門來實現(xiàn)。平視取景鏡頭快門照相機中，目前主要采用電子程序快門來實現(xiàn)自動曝光。而在單鏡頭反光照相機中的自動曝光控制則主要是應(yīng)用焦平面電子快門。如圖２－６所示，光照強度強時，曝光時間短；光照強度弱時，曝光時間長。上一頁下一頁返回任務(wù)１認(rèn)識光敏電阻的應(yīng)用電路及產(chǎn)品五、火焰檢測報警器火焰檢測報警器是當(dāng)物質(zhì)燃燒時，在產(chǎn)生煙霧和放出大量氣體時，也會產(chǎn)生可見或不可見的光輻射。該報警器也稱為感光式火災(zāi)探測器，是用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性，即感應(yīng)火焰燃燒的光照強度和火焰的閃爍頻率，如圖２－７所示。六、光敏電阻的特點優(yōu)點:光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小、無極性、使用方便等優(yōu)點，所以應(yīng)用廣泛。此外，許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜在紅外線光譜區(qū)工作。缺點:響應(yīng)時間長，頻率特性差，強光線性差，受溫度影響大。型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜在測量要求線性的場合工作，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件。上一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品任務(wù)描述一、光電二極管概述光電二極管(Ｐｈｏｔｏ－Ｄｉｏｄｅ)和普通二極管一樣，也是由一個ＰＮ結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦浴５陔娐分兴皇亲髡髟?，而是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件。普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使ＰＮ結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，稱為暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，稱為光電傳感器。圖２－９所示為光電二極管的結(jié)構(gòu)，圖２－１０所示為光電二極管的符號。二、光電三極管概述光電三極管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光電器件，它本身具有放大功能。目前的光電三極管是采用硅材料制作而成的。這是由于硅元件較鍺元件有小得多的暗電流和較小的溫度系數(shù)。硅光電三極管是用Ｎ型硅單晶做成Ｎ－Ｐ－Ｎ結(jié)構(gòu)的。管芯基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品光電三極管有３根引線的也有兩根引線的，管型分為ＰＮＰ和ＮＰＮ型兩種。常見的硅光電三極管有金屬殼封、環(huán)氧平頭式及微型。怎樣識別其管腳呢?對于金屬殼封裝的，金屬下面有一個凸塊，與凸塊最近的那只腳為發(fā)射極ｅ。如果該管僅有兩只腳，那么剩下的管腳則是光電三極管的集電極ｃ；假若該管有３只腳，那么離ｅ腳最近的則是基極ｂ，離ｅ腳遠(yuǎn)者是集電極ｃ。對環(huán)氧平頭式、微型光電三極管的管腳識別方法是這樣的:由于這兩種管子的兩只腳不一樣，所以識別最容易，長腳為發(fā)射極ｅ，短腳為集電極ｃ。圖２－１１所示為光電三極管的結(jié)構(gòu)、符號和外形。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品三、光電二極管、光電三極管應(yīng)用電路測試要求測量內(nèi)容主要包括:(１)任務(wù)實施過程中，找準(zhǔn)應(yīng)用電路中光電二極管、光電三極管。(２)根據(jù)任務(wù)描述，在教師指導(dǎo)下正確使用儀器儀表，得到所安排的測量要求。(３)在明暗環(huán)境發(fā)生變化的情況下，對比電路結(jié)構(gòu)和光敏電阻在電路中的工作情況。(４)在規(guī)定課時內(nèi)完成幾個應(yīng)用電路的認(rèn)識。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品測量要求主要包括:(１)實驗之前，請仔細(xì)閱讀實驗儀器說明，弄清實驗箱各部分的功能意義。(２)當(dāng)電壓表和電流表顯示為“１”時，說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程。(３)連線之前保證電源關(guān)閉。(４)實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品相關(guān)知識一、光電二極管暗電流測試實驗裝置原理電路如圖２－１２所示。但是在實際操作過程中，光電二極管和光電三極管的暗電流非常小，只有ｎＡ數(shù)量級。這樣，實驗操作過程中，對電流表的要求較高。在本實驗中，采用電路中串聯(lián)大電阻的方法，將圖２－１２中的ＲＬ改為２０ＭΩ，再利用歐姆定律計算出支路中的電流即為所測器件的暗電流，如圖２－１２所示，Ｉ暗＝Ｕ/ＲＬ。二、光電二極管光電流測試光電二極管光電流測試實驗裝置原理圖如圖２－１３所示。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品三、光電二極管伏安特性其實驗裝置原理電路如圖２－１４所示。四、光電三極管光電流測試及光照特性實驗光電三極管光電流測試及光照特性實驗裝置原理電路如圖２－１５所示。五、光電三極管伏安特性實驗光電三極管伏安特性實驗裝置原理電路如圖２－１６所示。上一頁下一頁返回任務(wù)２認(rèn)識光電二極管、光電三極管的應(yīng)用產(chǎn)品六、ＰＩＮ型光電二極管———ＰＩＮ管為了提高ＰＮ結(jié)硅光電二極管的時間響應(yīng)，消除在ＰＮ結(jié)外光生載流子的擴散運動時間，常采用在Ｐ區(qū)與Ｎ區(qū)之間生成Ｉ型層，構(gòu)成圖２－１７所示的ＰＩＮ結(jié)構(gòu)光電二極管，ＰＩＮ結(jié)構(gòu)的光電二極管與ＰＮ結(jié)型的光電二極管在外形上沒有區(qū)別。七、雪崩光電二極管———ＡＰＤ管當(dāng)光電二極管的ＰＮ結(jié)加相當(dāng)大的反向偏壓時，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個很高的電場，它足以使在強電場區(qū)漂移的光生載流子獲得充分的動能，通過與晶格原子碰撞將產(chǎn)生新的電子－空穴對。新的電子－空穴對在強電場作用下，分別向相反的方向運動，在運動過程中又可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生新的電子－空穴對。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。這個過程就是ＡＰＤ的工作基礎(chǔ)，即雪崩倍增過程，其結(jié)構(gòu)如圖２－１８所示。上一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品任務(wù)描述一、光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是基于兩種材料相接觸形成內(nèi)建勢壘，光子激發(fā)的光生載流子被內(nèi)建電場掃向勢壘的兩邊，從而形成了光生電動勢。光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，而光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。利用半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的器件稱為光生伏特器件，也稱為結(jié)型光電器件。二、結(jié)型光電器件(光生伏特器件)光生伏特器件包括光電池、光電二極管、光電晶體管、ＰＩＮ管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器(ＰＳＤ)等。下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品１.結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別(１)產(chǎn)生光電變換的部位不同。(２)光敏電阻沒有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正、負(fù)極性。(３)光敏電阻弛豫時間較大，結(jié)型器件弛豫時間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快。(４)有些結(jié)型光電器件靈敏度較高，可以通過較大的電流。２.光生伏特器件的基本工作原理當(dāng)光照射ＰＮ結(jié)時，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結(jié)區(qū)激發(fā)電子－空穴對。在開路狀態(tài)，產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，即在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓ＵＯＣ，這就是ＰＮ結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠(yuǎn)存在。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品光照下ＰＮ結(jié)的電流一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子－空穴對在內(nèi)建電場作用下形成的光生電流Ｉｐ，它與光照有關(guān)，其方向與ＰＮ結(jié)反向飽和電流相同。另一種是光生電流Ｉｐ流過負(fù)載電阻ＲＬ產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在ＰＮ結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流，如圖２－１９所示。三、硅光電池概述光電池是一種不需加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的ＰＮ結(jié)光電器件。按光電池的用途可分為兩類，即太陽能光電池和測量光電池。光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個ＰＮ結(jié)，由于制作ＰＮ結(jié)的材料不同，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品硅光電池應(yīng)用電路測量內(nèi)容主要包括:(１)任務(wù)實施過程中，找準(zhǔn)硅光電池在控制電路中的作用。(２)根據(jù)任務(wù)描述，在教師指導(dǎo)下正確使用儀器儀表得到所安排的測量要求。(３)在明暗環(huán)境發(fā)生變化的情況下，對比電路結(jié)構(gòu)和測量數(shù)據(jù)分析電路。(４)在規(guī)定課時內(nèi)完成應(yīng)用電路的認(rèn)識。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品相關(guān)知識一、硅光電池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖２－２０所示，當(dāng)半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子－空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到Ｎ型區(qū)和Ｐ型區(qū)，當(dāng)在ＰＮ結(jié)兩端加負(fù)載時就有光生電流流過負(fù)載。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品二、硅光電池的基本特性硅光電池的特性近于理想的電流源:在一定條件下，輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)。１.短路電流在不同的光照作用下，毫安表若顯示不同的電流值，那么硅光電池短路時的電流值也不同，此即為硅光電池的短路電流特性，如圖２－２１所示。２.開路電壓在不同光照的作用下，電壓表若顯示不同的電壓值，那么硅光電池開路時的電壓也不同，此即為硅光電池的開路電壓特性，如圖２－２２所示。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品３.光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖２－２３所示為硅光電池光生電流和光生電壓與光照度的特性曲線。在不同的偏壓作用下，硅光電池的光照特性也有所不同。４.伏安特性硅光電池輸入光強度不變，負(fù)載在一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化的關(guān)系稱為硅光電池的伏安特性。其特性曲線如圖２－２４所示，檢測電路如圖２－２５所示。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品５.負(fù)載特性(輸出特性)硅光電池作為電池使用，如圖２－２６所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在硅光電池兩端加一個負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很大時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很小時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負(fù)載電阻ＲＬ的值來測定硅光電池的負(fù)載特性。上一頁下一頁返回任務(wù)３認(rèn)識硅光電池的應(yīng)用電路及產(chǎn)品實際使用時都接有負(fù)載電阻ＲＬ，輸出電流ＩＬ隨照度(光通量)的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負(fù)載ＲＬ的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。硅光電池的光照度與負(fù)載特性曲線如圖２－２７所示。三、硅光電池的短路電流特性測試電路硅光電池的短路電流特性測試電路，如圖２－２８所示。四、硅光電池的開路電壓特性測試電路硅光電池的開路電壓特性測試電路，如圖２－２９所示。五、硅光電池的伏安特性電路硅光電池的伏安特性電路，如圖２－３０所示。上一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品任務(wù)描述一、ＬＥＤ簡介發(fā)光二極管(ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅｓ，ＬＥＤ)是在半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)或與其類似結(jié)構(gòu)上通以正向電流時，能發(fā)射可見或非可見輻射的半導(dǎo)體發(fā)光器件。發(fā)光二極管是由鎵(Ｇａ)與砷(Ａｓ)、磷(Ｐ)的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品二、發(fā)光二極管的檢測概述發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，使用Ｒ×１０ｋΩ擋可測出其正、反向電阻。一般正向電阻應(yīng)小于３０ｋΩ，反向電阻應(yīng)大于１ＭΩ。若正、反向電阻均為零，說明內(nèi)部擊穿短路；若正、反向電阻均為無窮大，說明內(nèi)部開路。三、發(fā)光二極管檢測的要求發(fā)光二極管檢測的內(nèi)容和要求主要包括:(１)在任務(wù)實施過程中，合理利用萬用表和測量電路檢測發(fā)光二極管的性能。(２)根據(jù)任務(wù)描述，在教師指導(dǎo)下正確使用儀器儀表得到測量實驗數(shù)據(jù)。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品(３)認(rèn)識發(fā)光二極管的特性和應(yīng)用產(chǎn)品。(４)在規(guī)定課時內(nèi)完成對發(fā)光二極管的認(rèn)識。相關(guān)知識一、發(fā)光二極管概述１.分類發(fā)光二極管可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管和紅外發(fā)光二極管等。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品２.結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以ＬＥＤ的抗震性能好，其結(jié)構(gòu)及外形如圖２－３１所示。３.工作原理發(fā)光二極管與普通二極管一樣，是由一個ＰＮ結(jié)組成的，也具有單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管的核心部分是由Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體組成的晶片，在Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為ＰＮ結(jié)。發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，實現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)、橙多色發(fā)光。紅光管工作電壓較小，顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍(lán)的發(fā)光二極管的工作電壓依次升高。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品二、ＬＥＤ的測試方法半導(dǎo)體發(fā)光二極管(ＬＥＤ)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、儀表顯示、手機背光、車載光源等場合，尤其是白光ＬＥＤ技術(shù)的發(fā)展，ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。但是過去對于ＬＥＤ的測試沒有較全面的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)實踐中只能以相對參數(shù)為依據(jù)，不同的廠家、用戶、研究機構(gòu)對此爭議很大，導(dǎo)致國內(nèi)ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重影響。因此，半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法的國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。ＬＥＤ的測試內(nèi)容包括電特性、光特性、開關(guān)特性、顏色特性、熱學(xué)特性和可靠性等。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品１.電特性ＬＥＤ是一個由半導(dǎo)體無機材料構(gòu)成的單極性ＰＮ結(jié)二極管，它是半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)二極管中的一種，其電壓－電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。３.開關(guān)特性ＬＥＤ的開關(guān)特性是指ＬＥＤ通電和斷電瞬間的光、電、色變化特性。４.顏色特性ＬＥＤ的顏色特性主要包括色品坐標(biāo)、主波長、色純度、色溫及顯色性等，ＬＥＤ的顏色特性對白光ＬＥＤ尤為重要。現(xiàn)有的顏色特性測試方法有分光光度法和積分法。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品５.熱學(xué)特性ＬＥＤ的熱學(xué)特性主要是指熱阻和結(jié)溫。熱阻是指沿?zé)崃魍ǖ郎系臏囟炔钆c通道上耗散的功率之比；結(jié)溫是指ＬＥＤ的ＰＮ結(jié)溫度。６.可靠性ＬＥＤ的可靠性包括靜電敏感度特性、壽命、環(huán)境特性等。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品三、發(fā)光二極管的應(yīng)用１.發(fā)光二極管的照明發(fā)光二極管(ＬＥＤ)的應(yīng)用非常廣泛。最初ＬＥＤ用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的ＬＥＤ在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以１２英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命、低光效的１４０Ｗ白熾燈作為光源，它產(chǎn)生２０００ｌｍ的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失９０％，只剩下２００ｌｍ的紅光。而在新設(shè)計的燈中，Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司采用了１８個紅色ＬＥＤ光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電１４Ｗ，即可產(chǎn)生同樣的光效。發(fā)光二極管的照明燈具如圖２－３２所示，發(fā)光二極管的照明光源如圖２－３３所示。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品２.發(fā)光二極管的顯示發(fā)光二極管在顯示器中應(yīng)用較多，因為ＬＥＤ發(fā)光強度是表征它在某個方向上的發(fā)光強弱，由于ＬＥＤ在不同的空間角度光強相差很多，這個參數(shù)實際意義很大，直接影響到ＬＥＤ顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場館的ＬＥＤ大型彩色顯示屏，如果選用的ＬＥＤ單管分布范圍很窄，那么面對顯示屏處于較大角度的觀眾將看到失真的圖像。發(fā)光二極管的顯示屏如圖２－３４所示。３.ＬＥＤ照明前景展望ＬＥＤ是一種很有前途的照明光源，雖然目前受到技術(shù)水平和價格的限制，尚無法在照明領(lǐng)域中與傳統(tǒng)的光源抗衡，但是其發(fā)展的潛力十分巨大。隨著技術(shù)的進步，ＬＥＤ必將在照明領(lǐng)域中充分發(fā)揮其節(jié)能高效的特點，從而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品四、ＬＥＤ芯片概述ＬＥＤ芯片也稱為ＬＥＤ發(fā)光二極管、ＬＥＤ二極管、ＬＥＤ發(fā)光芯片，是ＬＥＤ燈的核心組件，指的也就是ＰＮ結(jié)。其主要功能是把電能轉(zhuǎn)化為光能，芯片的主要材料為單晶硅。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成:一部分是Ｐ型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位；另一部分是Ｎ型半導(dǎo)體，主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個ＰＮ結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向Ｐ區(qū)，在Ｐ區(qū)里電子與空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是ＬＥＤ發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成ＰＮ結(jié)的材料決定的。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品１.用途根據(jù)用途，分為大功率ＬＥＤ芯片、小功率ＬＥＤ芯片兩種。２.顏色主要分為３種:紅色、綠色、藍(lán)色(制作白光的原料)。３.形狀一般分為方片、圓片兩種。４.大小小功率的芯片一般分為８ｍｉｌ、９ｍｉｌ、１２ｍｉｌ、１４ｍｉｌ等。一般情況下，方片的價格要高于圓片的價格，大功率ＬＥＤ芯片要高于小功率ＬＥＤ芯片的價格，進口的價格要高于國產(chǎn)的，進口的芯片價格從日本、美國依次減低。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品５.ＬＥＤ芯片的質(zhì)量評價ＬＥＤ芯片的質(zhì)量主要從裸晶亮度、衰減度兩個標(biāo)準(zhǔn)來衡量，在封裝過程中主要從ＬＥＤ芯片封裝的成品率來計算。６.ＬＥＤ芯片的制作工藝(１)ＬＥＤ芯片檢驗。鏡檢:材料表面是否有機械損傷及麻點、麻坑，芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求，電極圖案是否完整。(２)ＬＥＤ擴片。由于ＬＥＤ芯片在劃片后依然排列緊密且間距很小(約０.１ｍｍ)，不利于后工序的操作。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品(３)ＬＥＤ點膠。在ＬＥＤ支架的相應(yīng)位置點上銀膠或絕緣膠。(４)ＬＥＤ備膠。與點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠涂在ＬＥＤ背面電極上，然后把背部帶銀膠的ＬＥＤ安裝在ＬＥＤ支架上。(５)ＬＥＤ手工刺片。將擴張后的ＬＥＤ芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺的夾具上，ＬＥＤ支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將ＬＥＤ芯片一個個刺到相應(yīng)的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處，就是便于隨時更換不同的芯片，適用于需要安裝多種芯片的產(chǎn)品。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品(６)ＬＥＤ自動裝架。自動裝架其實是結(jié)合了沾膠(點膠)和安裝芯片兩大步驟，先在ＬＥＤ支架上點上銀膠(絕緣膠)，然后用真空吸嘴將ＬＥＤ芯片吸起，再安置在相應(yīng)的支架位置上。(７)ＬＥＤ燒結(jié)。燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對溫度進行監(jiān)控，防止批次性不良。(８)ＬＥＤ壓焊。壓焊的目的是將電極引到ＬＥＤ芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。上一頁下一頁返回任務(wù)４認(rèn)識ＬＥＤ的應(yīng)用電路及產(chǎn)品(９)ＬＥＤ封膠