发光二极管
一、发光二极管的基本原理
发光二极管(Light Diode)是一种将电能转换为光能的半导 体固体发光器件,是利用半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压 时,半导体中的载流子发生辐射复合而发光。LED的基本结构是将一块可以电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上发光二极管压降,四周用环氧树脂 密封以起到保护内部芯线的作用,使LED具有比较好的抗震性,如图所示。
LED的核心是PN结,它具有一般PN结的I-V特性,即正向导通和反向 截止、击穿特性。在正向偏压下,N区的多数载流子(多子)电子注入P区 成为P区少数载流子(少子);同时,P区的多子空穴注入N区成为少子,进入 对方区域的少子一部分与该区域的多子复合发光,这就是LED最基本的 原理,如图所示。
二、发光二极管的主要性能参数
(1)主要电学参数。LED的核心结构是PN结,必然具有PN结的电学 特性,结的好坏直接决定LED的性能。在LED制作过程中,光学参数测定 之前,一般首先要测量其电学性能,主要是其电流(I)-电压(V)特性、正向 电流、正向工作电压、反向电流、耗散功率和响应时间。
②正向电流:LED的正向电流包括正向工作电流(I F )、最小工作电 流(I FL )、最大容许正向电流(I FM)、最大容许正向脉冲电流(I FP )。其中,I F是最常用的参数,一般不超过I FM的60%。
③正向工作电压:正向工作电压(V F )是指在一定正向工作电流下的 正向压降。V F主要与材料种类、正向工作电流和温度有关。
④反向电流:反向漏电流(I R )是LED处于反向偏置时的漏电流。
⑤耗散功率:耗散功率是指工作时的功率。其值为正向工作电流与 正向工作电压的乘积。
⑥响应时间:响应时间是标志LED反应速度的一个重要参数,是指输 入和撤去正向电流后LED开始发光和熄灭的时间。LED点亮时间一般 是指从接通电源使发光亮度达到正常亮度的10%,到发光亮度达到正常 值的90%所经历的时间;而熄灭时间是指发光亮度从正常值减弱到其 10%所经历的时间,如图所示。
(3)发光峰值波长和光谱分布。LED发光强度或光输出功率随着波 长的不同而不同,将相对发光强度随发光波长的变化绘制成一条分布曲 线,该曲线即为LED的光谱分布曲线,如图所示。谱线中每一个峰值 对应的波长称为峰值波长,用λp表示。在λp两侧,存在两个光强等于峰值一半的点发光二极管压降,这两点之间的宽度叫谱线宽度,也称半高宽度。半高宽反映谱 线的宽窄,对于单色光源也是光源单色性的指标。有的LED可能有多个 峰值波长,并非单色光。定义LED发出的主要单色光的波长为主波长,光 辐射颜色接近主波长光谱色的程度就表示发光色的纯度。
(4)光通量。光通量是人眼所能感觉到的LED向各个方向辐射功率 的和。由于人眼对不同波长光的感受能力不同(如图所示的相对视 敏函数曲线),当不同波长光的辐射功率相等时,其光通量不一定相等。 光通量(F)等于某一波段的辐射能量与该波段相对视见率的乘积,光通量 的单位为流明(lm)。
三、发光二极管的特点
(1)电压:LED一般使用低压电源,供电电压在6～24 V之间,根据产品 不同而异,安全性高,适用于公共场所。
(2)效能:LED是目前光效最高的照明产品,耗电量为同等亮度白炽 灯的10%～20%,荧光灯的1/2。
(3)抗震性:LED是固态光源,每个单元很小,形状多变,具有其他光源 产品不可比拟的抗震性。
(4)稳定性:10万小时内,光衰较小。
(5)响应时间:白炽灯的响应时间为毫秒量级,而LED的响应时间可 达纳秒量级,是目前所有光源中响应最快的产品。
(6)环保:无金属汞等对身体有害的物质。
(7)颜色:LED的带宽较窄,所发光颜色纯,无杂色光,选择合适的发光 材料,可以覆盖可见光的全部波段,由红、绿、蓝三基色的组合可配成任 意想要的可见光。
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