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半导体发光二极督使命原理、特点及应用

宣布时间:2016年01月19日 11:01    宣布者:designapp
要害词: 发光二极管
  半导体发光器件网罗半导体发光二极管(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。现实上,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
  一、 半导体发光二极督使命原理、特点及应用(一)LED发光原理
  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)等半导系统体例成的,其焦点是PN结。是以它具有浅易P-N结的I-N特点,即正向导通,反向阻拦、击穿特点。此外,在一定条件下,它还具有发光特点。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的多数载流子(少子)一部门与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。
  


  假定发光是在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,或许先被发光中央捕捉后,再与空穴复合发光。除这类发恢复合外,尚有些电子被非发光中央(这其中央介于导带、介带中央相近)捕捉,尔后再与空穴复合,每次释放的能量不年夜,不克不及组成可见光。发光的复合量相关于非发恢复合量的比例越年夜,光量子效力越高。由于复合是在少子疏散区内发光的,以是光仅在靠近PN结面数μm以内发生。
  ??现实和现实证实,光的峰值波长λ与发光区域的半导体质料禁带宽度Eg有关,即
  λ≈1240/Eg(mm)
  式中Eg的单元为电子伏特(eV)。若能发生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体质料的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,但其中蓝光二极管资源、价钱很高,应用不普遍。
  (二)LED的特点
  1.极限参数的意义
  (1)允许功耗Pm:允许加于LED两正直向直流电压与流过它的电流之积的最年夜值。逾越此值,LED发烧、破损。
  (2)最年夜正向直流电流IFm:允许加的最年夜的正向直流电流。逾越此值可破损二极管。
  (3)最年夜反向电压VRm:所允许加的最年夜反向电压。逾越此值,发光二极管能够被击穿破损。
  (4)使命情形topm:发光二极管可正常使命的情形温度规模。低于或高于此温度规模,发光二极管将不克不及正常使命,效力年夜年夜降低。
  2.电参数的意义
  (1)光谱漫衍和峰值波长:某一个发光二极管所发之光着实不是单一波长,其波终年夜体按图2所示。
  


  由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最年夜,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)偏向上的发光强度。若在该偏向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于浅易LED的发光二强度小,以是发光强度经常应用坎德拉(mcd)作单元。(3)光谱半宽度Δλ:它体现发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之距离.
  (4)半值角θ1/2和视角:θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的偏向与发光轴向(法向)的夹角。
  半值角的2倍为视角(或称半功率角)。
  


  ??图3给出的二只不合型号发光二极管发光强度角漫衍的情形。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最年夜发光强度的之比)。显着,法线偏向上的相对发光强度为1,脱离法线偏向的角度越年夜,相对发光强度越小。由此图可以取得半值角或视角值。
  (5)正向使命电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在现实应用中应凭证须要选择IF在0.6·IFm以下。
  (6)正向使命电压VF:参数表中给出的使命电压是在给定的正向电流下取得的。浅易是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向使命电压VF在1.4~3V。在外界温度降低时,VF将降低。
  (7)V-I特点:发光二极管的电压与电流的关系可用图4体现。
  


  在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压逾越某一值后,正向电流随电压迅速增添,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。正向的发光管反向泄电流IR100mcd);把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。
  浅易LED的使命电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的使命电流在2mA以下(亮度与浅易发光管类似)。
  除上述分类措施外,尚有按芯片质料分类及按功效分类的措施。
  (四)LED的应用
  由于发光二极管的色彩、尺寸、形状、发光强度及透明情形等不合,以是应用发光二极管时应凭证实际须要阻拦恰被选择。
  由于发光二极管具有最年夜正向电流IFm、最年夜反向电压VRm的限制,应用时,应保证不逾越此值。为安然起见,现实电流IF应在0.6IFm以下;应让能够泛起的反向电压VR


  (2)图6(a)、(b)、(c)划分为直流电源、整流电源及交流电源指导电路
  图(a)中的电阻≈(E-VF)/IF;
  图(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF;
  图(c)中的R≈Vi/IF
  式中,Vi——交流电压有用值。
  


  (3)单LED电平指导电路。在镌汰年夜器振荡器或脉冲数字电路的输入端,可用LED体现输入旌旗暗记能否正常,如图7所示。R为限流电阻。只需当输入电压年夜于LED的阈值电压时,LED才干够发光。
  


  (4)单LED可充作高压稳压管用。由于LED正向导通后,电流随电压变换异常快,具有浅易稳压管稳压特点。发光二极管的稳固电压在1.4~3V间,应凭证须要阻拦选择VF,如图8所示。
  (5)电平表。现在,在音响装备中年夜量应用LED电平表。它是应用多只发光管指导输入旌旗暗记电平的,即发光的LED数目不合,则体现输入电平的变换。图9是由5只发光二极管组成的电平表。当输入旌旗暗记电平很低时,全不发光。输入旌旗暗记电平增年夜时,首先LED1亮,再增年夜LED2亮……。
  


  (五)发光二极管的检测
  1.浅易发光二极管的检测
  (1)用万用表检测。运用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以年夜致断定发光二极管的短长。正常时,二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。假定正向电阻值为0或为∞,反向电阻值很小或为0,则易破损。这类检测措施,不克不及实地看到发光管的发光情形,由于×10kΩ挡不克不及向LED供应较年夜正向电流。
  假定有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光情形。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与此外一块表的“-”接线柱毗连。余下的“-”笔接被测发光管的正极(P区),余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。两块万用表均置×10Ω挡。正常情形下,接通后便可以正常发光。若亮度很低,以致不发光,可将两块万用表均拨至×1Ω若,若仍很暗,以致不发光,则诠释该发光二极管性能不良或破损。应重视,不克不及一泉源丈量就将两块万用表置于×1Ω,以阻拦电流过年夜,破损发光二极管。
  (2)外接电源丈量。用3V稳压源或两节勾通的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确丈量发光二极管的光、电特点。为此可按图10所示毗连电路便可。假定测得VF在1.4~3V之间,且发灼烁度正常,可以诠释发光正常。假定测得VF=0或VF≈3V,且不发光,诠释发光管已坏。
  


  2.红外发光二极管的检测
  由于红外发光二极管,它发射1~3μm的红外光,人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW,不合型号的红外LED发光强度角漫衍也不类似。红外LED的正向压降浅易为1.3~2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见,以是应用上述可见光LED的检测法只能剖断其PN结正、反向电学特点能否正常,而没法剖断其发光情形正常否。为此,最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作吸收器。用万用表测光电池两头电压的变换情形。来断定红外LED加上适当正向电流后能否发射红外光。其丈量电路如图11所示。
  


  2、LED显示器结构及分类
  经由历程发光二极管芯片的适当毗连(网罗勾通和并联)和适当的光学结构。可组成发鲜昭示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔划显示器,而把笔划显示器和矩阵管统称为字符显示器。
  (一)LED显示器结构
  基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可完成0~9的显示。其详细结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。
  


  (1)反射罩式数码管浅易用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔相互对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中央肠位就是LED芯片。在装反射罩前,用压焊措施在芯片和印刷电路上照顾金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。
  反射罩式数码管的封装要领有空封和实封两种。实封要领接纳散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一名或双位器件。空封要领是在上方盖上滤波片和匀光膜,为前进器件的可靠性,必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶,这还可以前进光效力。这类要领浅易用于四位以上的数字显示(或符号显示)。
  ??(2)条形七段式数码管属于混淆封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把异常的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
  (3)单片集成式多位数字显示器是在发光质料基片上(年夜圆片),应用集成电路工艺制造出年夜量七段数字显示图形,经由历程划片把及格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再不才面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。
  (4)符号管、米字管的制造要领与数码管类似。
  (5)矩阵管(发光二极管点阵)也可接纳类似于单片集成式多位数字显示器工艺措施制造。
  (二)LED显示器分类
  (1)按字高分:笔划显示器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高浅易在2~3mm)。其他类型笔划??显示器最高可达12.7mm(0.5英寸)以致达数百mm。
  (2)按色彩分有红、橙、黄、绿等数种。
  (3)按结构分,有反射罩式、单条七段式及单片集成式。(4)从各发光段电极毗连要领分有共阳极和共阴极两种。
  所谓共阳要领是指笔划显示器各段发光管的阳极(即P区)是公共的,而阴极相互隔离。
  所谓共阴要领是笔划显示器各段发光管的阴极(即N区)是公共的,而阳极是相互隔离的。如图13所示。
  


  (三)LED显示器的参数
  由于LED显示器是以LED为基础的,以是它的光、电特点及极限参数意义年夜部门与发光二极管的类似。但由于LED显示器内含多个发光二极管,以是需有以下特殊参数:
  1.发光强度比
  由于数码管各段在异常的驱动电压时,各段正向电流不类似,以是各段发光强度不合。所有段的发光强度值中最年夜值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.5~2.3间,最年夜不克不及逾越2.5。
  2.脉冲正向电流
  若笔划显示器每段尺度正向直流使命电流为IF,则在脉冲下,正向电流可以远年夜于IF。脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越年夜。
  (四)LED显示器的应用指南
  1.七段数码显示器
  (1)假定数码宇航局为共阳极形式,那么它的驱动级应为集电极开路(OC)结构,如图14(a)所示。
  假定数码管为共阴极形式,它的驱动级应为射极输入或源极输入电路,如图14(b)所示。
  


  例如国产TTL集成电路CT1049、CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路;而CMOS集成电路CC4511为源极输入七段锁存、译码驱动电路。
  (2)控制数码管驱动级的控制电路(也称驱动电路)有静态式和静态式两类。
  ① 静态驱动:静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔划译码器(如BCD码二-十进制译码器)译码驱动。图15是一名数码管的静态驱动之例。图集成电路TC5002BP内含有射极输入驱动级,以是接纳共阴极数码管。A、B、C、D端为BCD码(二-十进制的8421码)输入端,BL为数码管熄灭及显示状态控制端,R为外接电阻。
  


  图16为N位数字静态驱动显示电路。
  


  ② 静态驱动:静态驱动是将所有数码管应用一个专门的译码驱动器,使列位数码管逐一轮替受控显示,这就是静态驱动。由于扫描速率极快。显示效果与静态驱动类似。图17是一种四位数字静态驱动(脉搏冲驱动)措施的线路。图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。
  


  TC4508BP内含两个锁存器,每个锁存器可锁存四位二进BCD码,对应于四位十进制数的四组BCD码划分输入到四个锁存器,四个锁存器,四组BCD码由四个锁存器分时轮替输入进入译码器,译码落伍入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端I1~I7与输入端Q1~Q7逐一对应)。Q1~Q7划分加到四个数码管的a~g七个阳极上。数字驱动电路TD62003P是由达林顿组成的阵列电路,Q1~Q4中哪一端接地,由输入端I1~I4的四师长“使能”旌旗暗记DS1~DS4控制。由于四个锁存器的轮换输入也是受“使能”旌旗暗记DS1~DS4控制。以是四个数码管轮替畅电显示。由于轮替显示频率较高,故显示的数字不呈闪灼情形。
  2.米字管、符号管显示器
  米字管和符号管的结构原理相机,以是其驱动要领也基内幕同,只是译码电路的译码历程与七段译码器不合。
  米字管可以显示网罗英文字母在内的多种符号。符号管主若是用来显示+、-或±号等。
  3.LED点阵式显示器
  LED点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比,具有焊点少、连线少,所有亮点在同平面、亮度匀称、形状美不雅不雅等优点。
  点阵管凭证其外部LED尺寸的年夜小、数目标若干及发光强度、色彩等可分为多种规格。图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种φ5高亮度橙白色5×7点阵组件。接纳双列直插14脚封装,两种显示器的差异是LED极性不合,如图18所示。
  


  该显示器用扫描驱动要领,选择较年夜峰值电流和窄脉冲作驱动源,每个LED的匀称电流不应逾越20mA。
  LED点阵管可以取代数码管、符号管和米字管。不只可以显示数字,也可显示所有西文字母和符号。假定将多块组合,可以组成年夜屏幕显示屏,用于汉字、图形、图表等等的显示。被普遍用于机场、车站、码头、银行及许多果真场所的指导、诠释、广告等场所。
  图19是一个LED点阵显示器驱动电路之例。
  

                               
                                                               
                               
               
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