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发光二极管的工作条件

作者:亚博网址 发布时间:2020-10-09 20:12

  半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏(简称矩阵管)等。事实上,数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

  发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。

  假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。理论和实践证明,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。

  LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件,为保证LED正常工作,必须满足以下几个方面的基本要求。

  (1)输入直流电压必须不低于LED的正向电压降,否则,LED不会导通而发光。

  (2)采用直流电流或单向脉冲电流驱动,当驱动并联的LED或LED串时,要求恒流而不是恒压供电。

  图1给出了随机抽取的6只白光LED(其中A商标和B商标各3只)的正向电流IF随正向电压TIE变化的关系曲线。如果用恒定电压驱动这6只(相并联)LED,它们之间的正向电流相差较大,例如用3.4V驱动,正向电流范围为l 0~44mA,这就使得各只LEDˉ的亮度和色度存在较大的差异。

  LED所允许的额定电流(30mA)随温度的升高而减小,如图2所示。由该图可知,当环境温度升至50C时,额定电流降至20mA,在此情况下,为防止LED烧毁,驱动电流必须限制在20mA之内。因此,为避免LED的驱动电流超过最大额定值,影响其可靠性,同时为获得预期的亮度要求,保证各个LED亮度和色度的一致性,应采用恒定电流驱动方式,而不是恒压方式。

  (1)光谱分布和峰值波长:某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示。由图可见,该发光管所发之光中某一波长0的光强最大,该波长为峰值波长。

  (2)发光强度IV:发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。

  (3)光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度。是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。

  (4)半值角1/2和视角:1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。半值角的2倍为视角(或称半功率角)。

  图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然,法线方向上的相对发光强度为1,离开法线方向的角度越大,相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。

  (5)正向工作电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。

  (6)正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。在外界温度升高时,VF将下降。

  (7)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR《10A以下。


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