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发光二极管原理及工作条件

2021-2-20 15:33:22  2895 发光二极管 二极管
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  发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成,半导体发光器件包括半导体发光二极管、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μm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Eg有关,即λ≈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,使用普遍。
  发光二极管工作条件
  
  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l0~44mA,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。

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