LED基礎(chǔ)理論知識(shí)

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LED基本理論知識(shí)

半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱LED）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏（簡(jiǎn)稱矩陣管）等。事

實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。

一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性及應(yīng)用

（一）LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管是由111-IV族化合物，如GaAs（研?化錢）、GaP（磷化錢）、GaAsP（磷珅化錢）等半導(dǎo)體制成的，其核心是

PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特

性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載

流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。

GIF

亡，t主題相關(guān)圖片如下:

囚

假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)

光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，

每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是

在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在*近PN結(jié)面數(shù)um以內(nèi)產(chǎn)生。

理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長入與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即

X^1240/Eg（mm）

式中Eg的單位為電子伏特（eV）o若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光?780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26?

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L63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)

格很高，使用不普遍。

（二）LED的特性

1.極限參數(shù)的意義

（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。

（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

（4）工作環(huán)境lopni:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍.低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效

率大大降低。

2.電參數(shù)的意義

（1）光譜分布和峰值波長：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單?波長，其波長大體按圖2所示。

顯此主題相關(guān)圖片如卜.:

囚

由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長入0的光強(qiáng)最大，該波長為峰值波長。

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（2）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方

向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用

坎德拉（med）作單位。

（3）光譜半寬度△入：它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長之間隔.

（4）半值角。1/2和視角：。1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。

半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。

同此主題相關(guān)圖片如下:

岡

圖3給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與

最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1,離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此

圖可以得到半值角或視角值。

（5）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6?IFm以

下。

（6）正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。?般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二

極管正向工作電壓VF在1.4?3V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。

（7）V-1特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示.

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在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。

由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IRUOuA以下。

（三）LED的分類

1.按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包

含二種或三種顏色的芯片。

根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有

色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。

2.按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為62mm、4）4.4

mm、4>5mn）x4>8mm、Omm及e20mm等。國外通常把4>3mm的發(fā)光二極管記作TT；把小5mm的記作TT（3/4）；把小

4.4mm的記作TT（1/4）。

由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類：

（1）高指向性?！銥榧忸^環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°?20°或更小，具有很高

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的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°?45°。

（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°?90°或更大，散射劑的量較大。

3.按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分

按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。

4.按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分

按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度XOOmcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在

10-lOOmcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。

?般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。

除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。

（四）LED的應(yīng)用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選

擇。

由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實(shí)際電

流IF應(yīng)在0.6IFm以下;應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0。6VRm。

LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、

錄像機(jī)等的遙控器中。

（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓

最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于?最大允許電流IFmo

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

圖(a)中的電阻~(E-VF)/IF；

圖(b)中的R*(1.4Vi-VF)/IF;

圖(c)中的R^Yi/IF

式中，Vi——交流電壓有效值。

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□

(3)單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖7所

示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí)，LED才可能發(fā)光。

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（4）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？?，具有普通檢壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二

極管的穩(wěn)定電壓在1.4?3V間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF,如圖8所示。

（5）電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的，即發(fā)光的LED數(shù)

目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí)，全不發(fā)光。輸入信

號(hào)電平增大時(shí),首先LED1亮，再增大LED2亮……。

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可

五）發(fā)光二極管的檢測(cè)

1.普通發(fā)光二極管的檢測(cè)

（1）用萬用表檢測(cè)。利用具有x10kC擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻

值為幾十至200k。，反向電阻的值為8。如果正向電阻值為?；?yàn)?,反向電阻值很小或?yàn)?,則易損壞。這種檢測(cè)方

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法，不能實(shí)地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因?yàn)閄IOkQ擋不能向LED提供較大正向電流。

如果有兩塊指針萬用表（最好同型號(hào)）可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬用表的“+”

接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測(cè)發(fā)光管的正極（P區(qū)），余下的“十”筆接被測(cè)發(fā)光管的負(fù)

極（N區(qū)）。兩塊萬用表均置X10。擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用

表均撥至XIQ若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意，不能?開始測(cè)量就將兩塊

萬用表置于XIQ,以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。

（2）外接電源測(cè)量。用3v穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表（指針式或數(shù)字式皆可）可以較準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)光二極管的

光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測(cè)得VF在1.4?3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。

如果測(cè)得VF=O或VF-3V,且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。

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岡

2.紅外發(fā)光二極管的檢測(cè)

由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射1?311m的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW,不同型號(hào)

的紅外LED發(fā)光強(qiáng)度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3?2.5V。正是由手其發(fā)射的紅外光人眼看不見，

所以利用上述可見光LED的檢測(cè)法只能判定其PN結(jié)正、反向電學(xué)特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，

最好準(zhǔn)備一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光電池）作接收器。用萬用表測(cè)光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LE

D加上適當(dāng)正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測(cè)量電路如圖11所示。

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二、LED顯示器結(jié)構(gòu)及分類

通過發(fā)光..極管芯片的適當(dāng)連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)。可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。由這些

發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)可以組成數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管共稱

筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。

（一）LED顯示器結(jié)構(gòu)

基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn)。?9的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式”、

“條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等。

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1）反射罩式數(shù)碼管?般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個(gè)LED貼在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對(duì)位的印

刷電路板上，每個(gè)反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之

間連好630Hm的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對(duì)位粘合，然后

固化。

反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實(shí)封兩種。實(shí)封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件。

空封方式是在上方蓋上濾波片和勻光膜，為提高器件的可*性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光

效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示）。

（2）條形七段式數(shù)碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化錢或磷化錢圓片，劃成內(nèi)含一只或數(shù)只LED發(fā)光條,

然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來。

（3）單片集成式多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片），利用集成電路工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，

通過劃片把合格芯片選出，對(duì)位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼。它們適用

于小型數(shù)字儀表中。

（4）符號(hào)管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。

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（5）矩陣管（發(fā)光二極管點(diǎn)陣）也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。

（二）LED顯示器分類

（1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有1mm（單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在2?3mm）。其他類型筆畫顯示器

最高可達(dá)12.7mm（0.5英寸）甚至達(dá)數(shù)百mm.

（2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。

（3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式0

（4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。

所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離。

所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的。如圖13所示。

（三）LED顯示器的參數(shù)

由于-LED顯示器是以LED為基礎(chǔ)的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于LED顯示

器內(nèi)含多個(gè)發(fā)光二極管，所以需有如下特殊參數(shù)：

1.發(fā)光強(qiáng)度比

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由于數(shù)碼管各段在同樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強(qiáng)度不同。所有段的發(fā)光強(qiáng)度值中最大值與

最小值之比為發(fā)光強(qiáng)度比。比值可以在1.5?2.3間，最大不能超過2.5。

2.脈沖正向電流

若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為IF,則在脈沖下，正向電流可以遠(yuǎn)大于IF。脈沖占空比越小，脈沖正向電

流可以越大。

（四）LED顯示器的應(yīng)用指南

1.七段數(shù)碼顯示器

（1）如果數(shù)碼宇航局為共陽極形式，那么它的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為集電極開路（0C）結(jié)構(gòu)，如圖14（a）所示。

如果數(shù)碼管為共陰極形式，它的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為射極輸出或源極輸出電路，如圖14（b）所示。

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例如國產(chǎn)TTL集成電路CT1049、CT4049為集電極開路形式七段字形譯碼驅(qū)動(dòng)電路；而CMOS集成電路CC45U為源極輸

出七段鎖存、譯碼驅(qū)動(dòng)電路。

（2）控制數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)級(jí)的控制電路（也稱驅(qū)動(dòng)電路）有靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。

①靜態(tài)驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管各用一個(gè)筆畫譯碼器（如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器）譯

碼驅(qū)動(dòng)。圖15是一位數(shù)碼管的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)之例。圖集成電路TC5002BP內(nèi)含有射極輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，所以采用共陰極數(shù)碼管。

A、B、C、D端為BCD碼（二-十進(jìn)制的8421碼）輸入端，BL為數(shù)碼管熄滅及顯示狀態(tài)控制端，R為外接電阻。

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圖16為N位數(shù)字靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示電路。

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岡

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②動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管使用一個(gè)專門的譯碼驅(qū)動(dòng)器，使各位數(shù)碼管逐個(gè)輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)

動(dòng)。由于掃描速度極快。顯示效果與靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相同。圖17是一種四位數(shù)字動(dòng)態(tài)駁動(dòng)（脈搏沖驅(qū)動(dòng)）方法的線路。圖中

只用了一個(gè)譯碼驅(qū)動(dòng)電路TC5002BP.

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TC4508BP內(nèi)含兩個(gè)鎖存器，每個(gè)鎖存器可鎖存四位二進(jìn)BCD碼，對(duì)應(yīng)于四位十進(jìn)制數(shù)的四組BCD碼分別輸入到四個(gè)鎖存

器，四個(gè)鎖存器，四組BCD碼由四個(gè)鎖存器分時(shí)輪流輸出進(jìn)入譯碼器，譯碼后進(jìn)入數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)級(jí)集成電路TD62505P（輸

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入端11~17與輸出端Q1?Q7一—對(duì)應(yīng)）。Q1?Q7分別加到四個(gè)數(shù)碼管的a?g七個(gè)陽極上。數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路TD62003P是

由達(dá)林頓構(gòu)成的陣列電路，Q1?Q4中哪一端接地，由輸入端II?14的四師長“使能”信號(hào)DS1-DS4控制。由于四個(gè)鎖

存器的輪換輸出也是受‘‘使能”信號(hào)DS1?DS