半導體發光二極管的發光原理_半導體二極管發光原理

半導體發光二極管和半導體激光器一樣是pN結，并且通過使用外部電源將電子注入pN結來發光。半導體發光二極管作為LED由p型半導體構成的p層和N型半導體構成的N層、以及中間的雙重異質結構構成的有源層構成?；钚詫邮前l光區域，其厚度為0.1？0.2μ米左右。半導體發光二極管的發光機理是什么？

原子、分子和一些半導體材料可以分別吸收和釋放恒定波長的光或電磁波。根據固體帶理論，半導體中的電子的能量狀態被分成價帶和導帶，當電子從一個帶的能量狀態E1轉移到另一個帶的能量狀態E2時，一定的頻率（轉換）υ）光。υ與能量之差（ΔE=E2-E1）成比例，即υ=ΔE/h （Hz）

這個公式被稱為波爾條件。公式中h=6.626×10-34J·s。當發光二極管工作時，半導體的空導帶通常通過接合注入到其中的電子而被占據，這些電子與價帶的孔復合，發射光子并產生光。

發射的光子能量近似于特定半導體的導帶和價帶之間的帶隙能量。這種自發輻射過程被稱為自發輻射復合。顯然，輻射轉變是復合發光的基礎。注入的電子的重組也可以是不發光的，即非輻射復合。

在非輻射復合的情況下，導帶電子失去的能量可以變成多個聲子，并且可以使晶體發熱，并且這個過程被稱為多聲子轉變。與價帶孔復合，將能量傳遞到導帶中的另一電子，使其處于高能狀態，通過熱平衡過程將多余的能量傳遞到晶格上的過程也可以稱為Osser復合。

隨著電子濃度的增加，這個過程將變得更重要。在帶間轉移的情況下，輻射復合和非輻射復合的兩個過程相互競爭。一種發光材料表明輻射復合占主導地位。

發光二極管,通常稱為LED,是在電子學世界里面的真正無名英雄。它們做了許多不同工作和在各種各樣的設備都可以看見它的存在。

基本上,發光二極管只是一個微小的電燈泡。但不像常見的白熾燈泡，發光二極管沒有燈絲，而且又不會特別熱。它單單是由半導體材料里的電子移動而使它發光。

什么是二極管

二極管是半導體設備中的一種最常見的器件,大多數半導體最是由攙雜半導體材料制成(原子和其它物質)發光二極管導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合,沒有留下自由電子連接電流。在攙雜物質中，額外的原子改變電平衡，不是增加自由電子就是創造電子可以通過的空穴。這兩樣額外的條件都使得材料更具傳導性。帶額外電子的半導體叫做N型半導體，由于它帶有額外負電粒子，所以在N型半導體材料中，自由電子是從負電區域向正電區域流動。帶額外“電子空穴”的半導體叫做P型半導體，由于帶有正電粒子。電子可以從另一個電子空穴跳向另一個電子空穴，從從負電區域向正電區域流動。

因此，電子空穴本身就顯示出是從正電區域流向負電區域。二極管是由N型半導體物質與P型半導體物質結合，每端都帶電子。這樣排列使電流只能從一個方向流動。當沒有電壓通過二極管時，電子就沿著過渡層之間的匯合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個損耗區。在損耗區中，半導體物質會回復到它原來的絕緣狀態--所有的這些“電子空穴”都會被填滿，所有就沒有自由電子或電子真空區和電流不能流動。

為了除掉損耗區就必須使N型向P型移動和空穴應反向移動。為了達到目的，連接二極管N型一方到電流的負極和P型就連接到電流的正極。這時在N型物質的自由電子會被負極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質中的電子空穴就移向另一方向。當電壓在電子之間足夠高的時候，在損耗區的電子將會在它的電子空穴中和再次開始自由移動。損耗區消失，電流流通過二極管。

如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質的負極電子被吸引到正極電子。P型物質的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區增加。

為什么二極管會發光

光是能量的一種形式，一種可以被原子釋放出來。是由許多有能量和動力但沒質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。光子是因為電子移動才釋放出來。在原子中，電子在原子的四周圍以軌道形式移動。電子在不同的軌函數有著不同等的能量。通常來說，有著更大能量的電子以軌道移動遠離了核子。當電子從一個更低的軌道跳到一個更高的軌道，能量水平就增高，反過來，當從更高軌函數跌落到更低的軌函數里時電子就會釋放能量。能量是以光子形式釋放出來的。更高能量下降釋放更高能量的光子，它的特點在于它的高頻率。

自由電子從P型層通過二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導帶跌落到一個更低的軌函數，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發生的，當二極管是由某種物質組成的時候，你只是可以看見光子。在標準硅二極管的原子，比如說，當電子跌落到相對短距離原子是以這樣的方式排列。結果，由于電子頻率這么低的情況下人的眼睛是無法看得到的。

可見光發光二極管，比如用在數字顯示式時鐘的，間隙的大小決定了光子的頻率，換句話說就是決定了光的色彩。當所有二極管都發出光時，大多數都不是很有效的。在普通二極管里，半導體材料本身吸引大量的光能而結束。發光二極管是由一個塑性燈泡覆蓋集中燈光在一個特定方向。

半導體發光二極管工作原理、特性及應用

半導體發光器件包括半導體發光二極管(LED)、數字管、符號管、儀表管和點陣顯示器(稱為矩陣管)。事實上，數字管、符號管、儀表管和矩陣管中的每個發光單元都是發光二極管。

1。半導體發光二極管的工作原理、特點及應用(1)LED發光原理。

發光二極管是由IIA-Ⅳ化合物半導體制成的，如GaAs(沈華佳)、GaP(GaP磷化物)、GaAsP(phosphor Shen Huajia)等半導體，其核心是PN結。因此，它具有一般p-n結的i-n特性，即正向傳導、反向截止和擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光性能。在正電壓下，電子從N區注入P區，空穴從P區注入N區。在另一個區域中，少數載體(少數)與大多數載體(多個)結合發光，如圖1所示。

假設發光發生在P區，注入的電子直接與價帶孔和光結合，或者首先由發光中心捕獲，然后與空穴結合。除了這種發光復合，一些電子被非發光中心捕獲(中心位于導帶的中間和中間帶的中間)，然后與空穴復合，并且每個釋放的能量小，可見光不能。形成。發光化合物與非發光化合物的比例越大，光量子效率越高。由于復合在少數擴散區中是發光的，光僅發生在pn結附近的m個數內。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光材料中的半導體材料的帶隙EG有關。

λ1240/EG(mm)

公式中的EG單位是EV(電子伏特)。如果能產生可見光(在380nm紫外光到780nm紅光)，則半導體材料的EG應介于3.26和1.63eV之間。紅燈的長光是紅外光。紅外、紅色、黃色、綠色和藍色發光二極管現在是可用的，但藍光二極管昂貴和昂貴的使用。

(二)LED的特性

1的意義。極限參數

(1)允許功率PM：添加到LED兩端的正DC電壓和流過它的電流的最大值。超過這個值，LED是熱的和損壞的。

(2)最大正向直流IFM：允許添加的最大正DC電流。超過這個值會損壞二極管。

(3)最大反向電壓VRM：允許的最大反向電壓。如果超過此值，則可能損壞LED。

(4)LED工作環境的環境溫度范圍：LED可以正常工作。低于或高于溫度范圍，LED將無法正常工作，并將大大降低效率。

2的意義。電參數

(1)光譜分布和峰值波長：發光二極管產生的光不是單一波長，其波生長體如圖2所示。

從圖中可以看出λ0波長的強度最大，波長是峰值波長。

(2)發光強度IV：發光二極管的發光強度通常是指在正常線方向上的光強(對于圓柱形發光管是其軸線)。如果在這個方向上的輻射強度為(1/683)W/Sr，那么發光是1燭光(符號CD)。由于一般LED的發光強度為2，發光強度通常為坎德拉(MCD)。

(3)光譜半寬度(1/2)：表示發光管的光譜純度。它指的是與圖3中光的峰值強度相對應的兩個波長之間的差異。

(4)半值角θ1/2和視角：θ1/2是光強值的方向與軸向強度值的軸向(法線方向)之間的夾角。

半值角的2倍是視角(或半功角)。

圖3示出了兩種不同類型LED的發光強度的角分布。垂直(正常)AO的坐標是相對發光強度，即發光強度與最大發光強度的比值。顯然，法線方向的相對發光強度為1，從法線方向的角度越大，相對發光強度越小。這個圖形可以得到一個半值角或一個視角。

(5)正向工作電流IF：指LED正常時的正向值。在實際使用中，如果應選擇低于0.6的IFM。

(6)正向工作電壓VF：在給定的正向電流下獲得參數表中的工作電壓。一般來說，它是在IF=20mA下測量的。在VF下，發光二極管的正向電壓為1.4～3V。當外界溫度升高時，VF就會下降。

(7)V-I特性：LED的電壓和電流之間的關系如圖4所示。

當正向電壓小于某一值(稱為閾值)時，電流非常小并且不發光。當電壓超過一定值時，正向電流隨著電壓的增加而迅速增加，并被照亮。LED的正向電壓、反向電流和反向電壓可以從V-I曲線得到。前向發光管的反向漏電流低于IR<10μA。

(三)LED的分類

1。根據發光管的發光顏色

根據發光管的發光顏色，可分為紅、橙、綠(再分為黃綠色、標準綠、純綠)、藍光等。此外，一些發光二極管包含兩個或三個彩色芯片。

發光二極管可以分為四種類型，它們是透明的、無色的、透明的、有色的、有色的和無色的。散射的發光二極管用于引導燈。

2。光發射管的光表面特性

根據發光管、圓燈、方形燈、矩形、表面發光管、側管、表面安裝微型管等特點，將圓燈分為直徑2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm和φ20mm AC。根據直徑。在國外，3mm的發光二極管通常被記錄為T-1;PHI 5mm被記錄為T-1(3/4);4.4mm被記錄為T-1(1/4)。

圓形發光強度的角分布可以從半值角的大小來估計。從發光強度的角度分布可分為三類。

(1)高指向性。通常，它是尖端環氧封裝或金屬反射器腔封裝，而不添加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的方向性。它可作為局部照明光源或與光探測器結合形成自動檢測系統。

(2)標準型。通常用作指示燈，其半角為20至45度。

(3)散射型。這是一個大角度指示器，具有45到90度或更大的半角，以及更大的散射劑。

三。根據發光二極管的結構

根據發光二極管的結構，它具有全環氧封裝、金屬基環氧封裝、陶瓷基環氧封裝和玻璃封裝。

4。根據發光強度和工作電流

將光強和工作電流分為普通亮度的LED(光強<10MCD)、超高亮度(>100MCD)LED和10～100MCD的高亮度發光二極管。

一般來說，LED的工作電流在10毫安到幾十毫安的范圍內，而低電流LED的工作電流低于2mA(與普通發光管相同的亮度)。

除了上述分類方法之外，還存在對芯片材料進行分類并根據它們的功能進行分類的方法。

(四)LED的應用

由于發光二極管的顏色、尺寸、形狀、發光強度和透明性，應根據實際需要適當選擇發光二極管的使用。

由于LED具有最大正電流IFM和最大反向電壓VRM，所以在使用時應保證不超過此值。為了安全起見，實際的IF應低于0.6IFM;應允許反向電壓VR<0.6VRM。

LED廣泛應用于電子設備和電子設備中?？勺鳛楣β手甘酒?、電平指示器或微型光源。紅外光管經常用于電視機、錄像機等的遙控。

(1)使用高亮度或超高亮度LED制作微光手電筒電路，如圖5所示。圖中電阻R限流電阻器應確保當電源電壓最高時，LED的電流應小于最大允許電流IFM。

(2)圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源和交流電源指示電路。

圖(a)中的電阻(E-VF)/IF;

R1.4VIVF(1.4VIVF)/IF在圖(B)中;

圖中的R VI/IF(C)

在公式中，Vi-AC電壓值。

(3)單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數字電路的輸出端，LED可以用來指示輸出信號是否正常，如圖7所示。R是限流電阻器。只有當輸出電壓大于LED閾值電壓時，LED才能夠發光。

(4)單LED可作為低壓穩壓器使用。當LED被接通時，電流隨電壓變化非?？?。具有穩壓穩壓的特點。LED的穩定電壓在1.4～3V之間，如圖8所示，應根據需要選擇VF。

(5)水平表。目前，LED液位計被廣泛應用于音頻設備中。它使用多個發光管來指示輸出信號電平，即發光二極管的數目不同，這意味著輸出電平改變。

改變。圖9是由5個發光二極管組成的液位表。當輸入信號電平很低時，它不發光。當輸入信號電平增加時，第一LeD1是亮的，然后增加LeD2。

(五)發光二極管的檢測

檢出率為1。普通發光二極管

(1)使用萬用表進行測試。X萬歐姆指針式萬用表可以大致判斷LED的質量。正常情況下，二極管的正電阻為幾十～200K歐姆，反向電阻值為零。如果正向電阻為0或為零，則反向電阻值非常小或0，因此很容易損壞。這種測試方法不能看到發光管的發光，因為10K LED不能向管提供大的正向電流。

如果你有兩個指針萬用表(最好是同一類型)，你可以更好地檢查LED的發光情況。將萬用表之一的“+”端子與另一表的“-”端子連接。剩余的“-”筆連接到發光管的正極(P區)，剩余的“+”筆連接到發光管的負極(N區)。兩個萬用表都設置為10Ω。在正常情況下，它將能夠在連接后正常發光。如果亮度很低，或者甚至不亮，兩個萬用表可以分配給X 1Ω，如果它仍然是黑暗的，甚至不發光，則表明LED是壞的或損壞的。需要注意的是，在測量開始時，兩個萬用表不能放置在1歐姆中，以避免過大的電流和損壞LED。

(2)外部電源測量。使用3V電壓調節器或兩系列干電池和萬用表(指針或數字)，可以更精確地測量LED的光和電特性。為此，連接電路可以在圖10中示出。如果VF測量在1.4和3V之間，并且發光亮度是正常的，則可以指示發光是正常的。如果測量VF=0或VF 3V，并且它不發光，則發光管被破壞。

檢出率為2。紅外發光二極管

由于紅外發光二極管發射出1～3微米的紅外光，人眼看不到。通常，單個紅外光發射二極管的發射功率僅為MW，不同類型的紅外LED的強度角分布也不同。紅外LED的正壓降一般為1.3～2.5V，這是因為它發射的不可見紅外光，可見光LED的檢測方法只能用來判斷PN結的正反電性能是否正常，但它是。不可能確定它們的發光是否正常。為此，最好準備一個光敏器件，如2Cr和2DR硅光電池，作為接收器。使用萬用表測量電池兩端電壓的變化。確定在適當的正向電流之后是否發射紅外LED。其測量電路如圖11所示。

二、LED顯示結構及分類

LED芯片的正確連接(包括串并聯)和適當的光學結構?？梢孕纬砂l光顯示器的發光部分或發光點。這些發光部分或發光點可用于形成數字管、符號管、米管、矩陣管、水平顯示管等。通常，數碼管、符號管和儀表管通常被稱為筆顯示器，筆畫顯示器和矩陣管統稱為字符顯示器。

(1)LED顯示結構

基本半導體數字管由圖12中布置的七個條形發光二極管芯片構成?？梢詫崿F0～9的顯示。其具體結構包括“反射蓋型”、“條七段式”和“單片多位式”。

(1)反射式鐘型數碼管通常采用白色塑料制成具有反射腔的七段殼體，在反射板七反射腔對面的印刷電路板上安裝一個LED。每個反射腔的中心是LED芯片。在加載反射器之前，在芯片和印刷電路上連接芯片和相應金屬帶之間的30μm的硅鋁線或金屬引線，將環氧樹脂滴入反射器中，然后將帶有芯片的印刷電路板粘接到反射器上。然后再凝固。

反射鏡式數碼管封裝有兩種方法。使用散射劑和染料的環氧樹脂被用在一個或兩個位置裝置中。為了提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂覆透明絕緣膠，以提高器件的可靠性。這也可以提高光學效率。這種方法通常用于四位以上的數字顯示(或符號顯示)。

(2)帶狀七段數碼管是一種混合封裝。它是一種用于芯的磷化鎵或磷化鎵晶片，它被分為一個或幾個LED發光條，然后將相同的七個棒粘接到日常的“伐木”框架上，并且內引線與壓力焊接過程連接，并且環氧樹脂被密封。

(3)單片多數字顯示在發光材料基片(大圓片)上。利用集成電路技術制作了大量的七個數字顯示圖形。通過切屑選擇合格的芯片。對應件連接在印刷電路板上，通過壓力焊接工藝引出引線，并在其上覆蓋“魚眼透鏡”外殼。它們適用于小型數字儀表。

(4)符號管和米形管與數字管相似。

(5)還可以采用單片集成多數字顯示技術來制作矩陣管(發光二極管點陣)。

(二)LED顯示屏的分類

(1)根據高分：筆畫顯示字的最小高度為1mm(單片多數字管字符一般為2～3mm)。其他類型的中風顯示器可以達到12.7毫米(0.5英寸)，甚至數百毫米。

(2)有紅、橙、黃、綠三種顏色。

(3)根據該結構，它具有反射蓋型、單七段和單片集成。

(4)從各發光部的連接方式看，共有兩個共同的陽極和共同的陰極。

所謂的“普通楊”模式是指顯示器的每個部分的陽極(P面積)，這是常見的，而陰極是相互隔離的。

常見的陰模是顯示器各部分的發光管的陰極，也就是說，N區是常見的，而陽極是相互隔離的。如圖13所示。

(三)LED顯示參數

由于LED顯示器是基于LED的，其光學、電氣和限制參數最類似于發光二極管。然而，由于LED顯示器中有許多發光二極管，所以有如下特殊參數：

1。發光強度比

由于數字管的截面在相同的驅動電壓下具有不同的正向電流，所以每個部分的強度是不同的。所有光強的最大值和最小值之間的比值是發光強度的比率。該比值可以在1.5和2.3之間，最大值不應超過2.5。

2。脈沖正向電流

如果筆顯示器的每個典型正向工作電流為IF，則正向電流可比脈沖下的電流大得多。占空比越小，脈沖的正向電流越大。

(四)LED顯示屏應用指南

1。七段數字顯示

(1)如果數字航空是一種常見的陽極形式，其驅動階段應該是集電極開路(OC)結構　　如果數字管是公共陰極，其驅動電平應該是發射極輸出或源輸出電路，