一、半导体发光二极管是什么

发光二极管是由Ⅲ-Ⅴ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，因此具有一般 PN 结的 I-V 特性，即正向导通、反向截止和击穿特性；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。

图 1　发光二极管的发光原理

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 结面数微米以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长 λ 与发光区域的半导体材料禁带宽度 E_g 有关，即

λ ≈ 1240/E_g（nm）

式中 E_g 的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在 380 nm 紫光到 780 nm 红光之间），半导体材料的 E_g 应在 3.26～1.63 eV 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，但其中蓝光二极管的成本、价格很高，使用不普遍。

二、LED 的特性

1. 极限参数的意义

（1）允许功耗 P_m：允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值，超过此值 LED 将发热、损坏。

（2）最大正向直流电流 I_Fm：允许加的最大的正向直流电流，超过此值可损坏二极管。

（3）最大反向电压 V_Rm：所允许加的最大反向电压，超过此值发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境温度 t_opm：发光二极管可正常工作的环境温度范围，低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作、效率大大降低。

2. 电参数的意义

（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，其波长分布大体如图 2 所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长 λ₀ 的光强最大，该波长称为峰值波长。

图 2　LED 的光谱分布

（2）发光强度 I_V：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，则称发光 1 坎德拉（符号为 cd）。由于一般 LED 的发光强度小，所以发光强度常用毫坎德拉（mcd）作单位。

（3）光谱半宽度 Δλ：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的间隔。

（4）半值角 θ_1/2 和视角：θ_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 给出两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之比），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。

图 3　发光强度角分布

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

（6）正向工作电压 V_F：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 I_F = 20 mA 时测得。发光二极管正向工作电压 V_F 在 1.4～3 V；外界温度升高时 V_F 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。在正向电压小于某一值（称为阈值）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而发光。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 I_R 很小。

图 4　LED 的 V-I 特性

发光二极管按发光强度可分为普通亮度与高亮度两类，一般把发光强度在 10～100 mcd 之间的称为高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流 LED 的工作电流在 2 mA 以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

三、LED 的应用

由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，使用时应根据实际需要进行恰当选择。

（1）由于发光二极管具有最大正向电流 I_Fm、最大反向电压 V_Rm 的限制，使用时必须保证不超过此值。为安全起见，实际电流 I_F 应在 0.6I_Fm 以下；同时应让可能出现的反向电压 V_R 不超过最大反向电压 V_Rm，必要时可串接二极管加以限制，如图 5 所示。

图 5　反向电压限制措施

（2）图 6（a）、（b）、（c）分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。图（a）中的电阻 R ≈（E − V_F）/I_F；图（b）中的 R ≈（1.4V_i − V_F）/I_F；图（c）中的 R ≈ V_i/I_F。式中 V_i 为交流电压有效值。

图 6　电源指示电路

（3）单 LED 电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用 LED 表示输出信号是否正常，如图 7 所示，R 为限流电阻；只有当输出电压大于 LED 的阈值电压时 LED 才可能发光。

图 7　单 LED 电平指示电路

（4）单 LED 可充作低压稳压管用。由于 LED 正向导通后电流随电压变化非常快，具有普通稳压管的稳压特性；发光二极管的稳定电压在 1.4～3 V 之间，应根据需要选择 V_F。

（5）电平表。目前在音响设备中大量使用 LED 电平表，它利用多只发光管指示输出信号电平，即发光的 LED 数目不同则表示输出电平的变化。图 8 是由 5 只发光二极管构成的电平表：当输入信号电平很低时全不发光，输入信号电平增大时首先 LED1 亮，再增大则 LED2 亮……

图 8　LED 电平表电路