发光二极管

发光二极管（light emitting diode，LED）是一种固态PN结器件，属冷光源。它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换的过程。由于它的发光面小，故可视为点光源。LED具有如下特点：

①工作电压低（1.5V～2V），耗电少（电流为10mA时即可在室内得到适当的亮度）；

②可通过调节电流（或电压）来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；

③比普通光源的单色性好；

④发光亮度和发光效率均较高；

⑤容易与集成电路配合使用；

⑥体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。

3.1.1 LED的分类

1.按发光颜色分类

LED按发光颜色分，有红色、橙色、绿色（又细分为黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色等。另外，有的LED中包含两种或三种颜色的芯片。

根据LED出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的LED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LED可以作指示灯用。

2.按出光面特征分类

LED按出光面特征分，有圆形灯、方形灯、矩形灯、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等规格的。国外通常把φ3mm的LED记作T－1，把φ5mm的记作T－1（3／4），把φ4.4mm的记作T－1（1／4）。由半值角的大小可以估计圆形灯发光强度角分布情况。

圆形灯按发光强度角分布来分有三类。

（1）高指向型 高指向型圆形灯一般采用尖头环氧树脂封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。其半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光电探测器联用以组成自动检测系统。

（2）标准型 标准型圆形灯通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

（3）散射型 散射型圆形灯是视角较大的指示灯，其半值角为45°～90°或更大，所加散射剂的量较大。

3.按结构分类

LED按结构分，有全环氧树脂包封、金属底座环氧树脂封装、陶瓷底座环氧树脂封装及玻璃封装等类型。

4.按发光强度和工作电流分类

LED按发光强度和工作电流分，有普通亮度LED（发光强度小于10mcd）、超高亮度LED （发光强度大于100mcd）等。发光强度在10mcd～100mcd间的LED称为高亮度LED。

一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2m A以下（亮度与普通发光管相同）。LED通过改变电流可以改变颜色，并可方便地通过化学修饰方法调整材料的能带结构和带隙，实现红、黄、绿、蓝、橙等多色发光。例如，小电流时发光颜色为红色的LED，随着电流的增加，所发光的颜色可以依次变为橙色、黄色，最后为绿色。

3.1.2 LED的工作原理

发光二极管实际上就是一个由P型和N型半导体组成的二极管。如图3－1所示，在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。每一对电子和空穴复合都将释放出与材料性质有关的一定的复合能量，这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。

图3－1 发光二极管原理结构

3.1.3 LED的特性参数

1.量子效率

辐射源效率表示输入和输出能量之间的数量关系。发光二极管一般用量子效率来表示。

二极管的发光是正向偏置的PN结中注入载流子的复合引起的，但是注入的载流子不一定都复合，而复合后也不一定都发光。注入的载流子一部分形成电子－空穴对而复合，也有一部分可能通过结区的隧道效应和其他的形式流走；复合的载流子一部分以光的形式放出能量，另一部分也可能将放出的能量变成晶格振动的热能或其他形式的能量，即发生所谓的无辐射复合。发光复合在整个过程中所占的比例就是量子效率，用符号ηqi表示，有

式中：Nr为产生的光子数；G为注入的电子－空穴对数。在这里，产生的光子数并不能全部射出器件之外。作为一种发光器件，它能射出多少光子才是人们感兴趣的。表征器件这一性能的参数就是外量子效率，用ηqe表示为

式中：NT为器件射出的光子数。

2.光谱特性

发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。根据半导体材料的不同，目前能制造能发出红、绿、黄、橙、蓝、红外等光的发光二极管，如表3－1所示。

表3－1 几种发光二极管的特性

由于二极管是自发辐射发光，没有谐振腔对波长的选择，所以谱线较宽，如图3－2所示。一般短波长GaAlAs－GaAs LED谱线宽度为30nm～50nm，长波长InGaAsP－InP LED谱线宽度为60nm～120nm。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动，短波长和长波长LED的移动速度分别为0.2nm／℃～0.3nm／℃和0.3nm／℃～0.5nm／℃。

3.光束的空间分布

在垂直于发光面的面上，面发光LED辐射图呈朗伯分布，即P（θ）＝P0cosθ，半功率点辐射角θ＝120°。对于边发光型LED，θ∥＝120°，θ⊥＝25°～35°。

图3－2 LED光谱

图3－3 LED的P－I曲线

4.输出光功率特性

LED的输出光功率特性如图3－3所示。驱动电流较小时，P－I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，P－I曲线的斜率减小。在通常情况下，LED的工作电流为（50～100）mA，输出光功率为几个毫瓦。

5.响应时间

响应时间是表示LED反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。响应时间是指注入电流后LED启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。LED的上升时间随着电流的增大近似地呈指数规律减小。直接跃迁的材料（如GaAs1－xPx）的响应时间仅几个纳秒，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间约为100ns。发光二极管可利用交流供电或脉冲供电以获得调制光或脉冲光，调制频率达几十兆赫兹。这种直接调制技术使LED在相位测距仪、能见度仪及短距离通信中获得应用。

6.寿命

LED的寿命一般是很长的，在电流密度小于1A／cm2的情况下，寿命可达106h，即可连续工作100年。这是任何别的光源都无法与之竞争的。发光二极管的亮度随工作时间的增加而衰减，这就是老化。老化的快慢与电流密度j和老化时间常数τ（约为106h·A／cm2）有关，其关系式为

L（t）＝L0e－jt／τ 　（3－3）

式中：L0为起始亮度；L（t）为点燃时间t后的亮度。

3.1.4 LED的应用

随着科学技术的发展，电子设备的数字化和集成化越来越需要能显示较大信息量的显示器和全标度图标显示器。随着半导体材料的制备和工艺的发展，LED已在指示和信息显示中占主导地位。

目前，LED主要有以下几个方面的用途。

1.用做指示灯

LED正在成为指示灯的主要光源。LED的寿命在数十万小时以上，为普通白炽灯的一百倍以上，而且有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型和耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。目前，各种商用制品中使用的LED灯有点、线及各种小平面等形式的，颜色有红色、黄色、橙色、绿色、蓝色等，各色LED都具有足够高的辉度，比白炽灯加彩色滤光器所发出的颜色更鲜艳。

2.用于数字显示

利用LED进行数字显示，可采取点矩阵型和字段型两种方式。

点矩阵型数字显示时，使LED发光元件按矩阵排列，根据需要显示的数字只让相应的元件发光。为进行数字显示，通常需要7行5列的矩阵，共需35个元件。除数字之外，还可显示英文字符、罗马字符和日文假名等，其视认性也很好。

字段型数字显示时，在LED芯片的周围设置反射框，芯片上方或者装有光扩散用的扩散片，或者通过混有光扩散剂的环氧树脂，将芯片与其周围的结构模注塑在一起，由一个LED即可构成长方形的均匀发光面。反射框所围的LED作为一个字段单位，其大小可以变化，由此可以构成任意尺寸的数字显示元件。字段型数字显示器多数为7字段型及16字段型的。

3.用于平面显示

LED还可用于平面显示。由于LED为固体元件，采用LED的显示器可靠性高，且与采用白炽灯的显示器相比功耗小。此外，发光二极管还可以用于制作大型阴极射线管（CRT）及液晶显示器（LCD）等。LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。

单片型LED平面显示器是在同一基板单晶上使发光点形成字段状或矩阵状的平面显示元件。这种显示元件的特点是：在保证高密度像素的前提下，可实现超小型化。例如GaP绿色单片型LED平面显示元件，每个发光部分的尺寸和节距分别是0.23mm×0.23mm和0.28mm，在11.2mm×11.2mm大小的单晶表面上可形成1 600个像素。

混合型平面显示器与单片型不同，它是在组装基板上使每个LED芯片排列成矩阵状而构成的显示元件。当用于大型画面时，通常将3 000～4 000个像素构成一个模块，在基板的背面设置驱动电路。例如，利用GaP多色LED芯片，该芯片可发出从红色到绿色的任何中间色的光，按96×64＝6 144个像素排列的平面显示元件已进入实用阶段。

目前，用于室内、外显示的采用LED点矩阵型模块的大型显示器正处在迅速推广和普及中。由于采用LED点矩阵型模块结构，显示板的大小可由LED发光点纵、横密集排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红到绿的任意单色、多色，甚至全色；灰度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与专用集成电路（IC）相结合，也可由电视信号驱动，进行电视画面显示。

4.光源

LED可用做各种装置或系统的光源，如电视机、空调等的遥控器的光源。在光电检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。当然LED在这两个领域中的应用有一定限制，如由于相干长度短，LED不适合作为大量程干涉仪的光源。在目前的数字光纤通信系统中，由于光纤存在色散特性，LED的宽光谱将导致脉冲的展宽，限制系统的通信容量，因此LED只适合于低速率、短距离的光纤通信系统。

5.光电开关、报警、遥控、耦合

LED可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合器件等。