（一）ＬＥＤ發(fā)光原理

　　發(fā)光二極管是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如ＧａＡｓ（砷化鎵）、ＧａＰ（磷化鎵）、ＧａＡｓＰ（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其是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)。進入對方區(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。

　　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)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近ＰＮ結(jié)面數(shù)μｍ以內(nèi)產(chǎn)生。

　　理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅｇ有關(guān)，即λ≈１２４０／Ｅｇ（ｍｍ）式中Ｅｇ的單位為電子伏特（ｅＶ）。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３．２６～１．６３ｅＶ之間。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

（二）ＬＥＤ的特性

　?。保畼O限參數(shù)的意義

　?。ǎ保┰试S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值。超過此值，ＬＥＤ發(fā)熱、損壞。

　?。ǎ玻┱蛑绷麟娏鳎桑疲恚涸试S加的的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

　?。ǎ常┓聪螂妷海郑遥恚核试S加的反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

　?。ǎ矗┕ぷ鳝h(huán)境ｔｏｐｍ：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。

　?。玻妳?shù)的意義

　?。ǎ保┕庾V分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖２所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ０的光強，該波長為峰值波長。

　?。ǎ玻┌l(fā)光強度ＩＶ：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（１／６８３）Ｗ／ｓｒ時，則發(fā)光１坎德拉（符號為ｃｄ）。由于一般ＬＥＤ的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉（ｍｃｄ）作單位。

　?。ǎ常┕庾V半寬度Δλ：它表示發(fā)光管的光譜純度．是指圖３中１／２峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔．

　?。ǎ矗┌胫到铅龋保埠鸵暯牵害龋保彩侵赴l(fā)光強度值為軸向強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）。

　　圖３給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）ＡＯ的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為１，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。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)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇ＩＦ在０．６·ＩＦｍ以下。

　?。ǎ叮┱蚬ぷ麟妷海郑疲簠?shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在　ＩＦ＝２０ｍＡ?xí)r測得的。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，ＶＦ將下降。

　?。ǎ罚郑商匦裕喊l(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖４表示。在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，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ＩＲ＜１０μＡ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（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。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)光二極管和達于做指示燈用。

　?。玻窗l(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φ２ｍｍ、φ４．４ｍｍ、φ５ｍｍ、φ８ｍｍ、φ１０ｍｍ及φ２０ｍｍ等。國外通常把φ３ｍｍ的發(fā)光二極管記作Ｔ－１；把φ５ｍｍ的記作Ｔ－１（３／４）；把φ４．４ｍｍ的記作Ｔ－１（１／４）。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

　?。ǎ保└咧赶蛐?。一般為尖頭環(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)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

　?。ǎ玻藴市?。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。

　?。常窗l(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)光強度和工作電流分

　　按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的ＬＥＤ（發(fā)光強度＜１０ｍｃｄ）；超高亮度的ＬＥＤ（發(fā)光強度＞１００ｍｃｄ）；把發(fā)光強度在１０～１００ｍｃｄ間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般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)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應(yīng)根據(jù)實際需要進行恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有正向電流ＩＦｍ、反向電壓ＶＲｍ的限制，使用時，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實際電流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、錄像機等的遙控器中。

　?。ǎ保├酶吡炼然虺吡炼劝l(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)保證電源電壓時應(yīng)使ＬＥＤ的電流小于允許電流ＩＦｍ。

　?。ǎ玻﹫D６（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≈Ｖｉ／ＩＦ式中，Ｖｉ——交流電壓有效值。

　?。ǎ常﹩危蹋牛碾娖街甘倦娐?。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，ＬＥＤ才可能發(fā)光。

　?。ǎ矗﹩危蹋牛目沙渥鞯蛪?a target="_blank">穩(wěn)壓管用。由于ＬＥＤ正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？?，具有普通穩(wěn)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)需要進行選擇ＶＦ，如圖８所示。

　?。ǎ担╇娖奖?。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)輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先ＬＥＤ１亮，再增大ＬＥＤ２亮……。

（五）發(fā)光二極管的檢測

　　１．普通發(fā)光二極管的檢測

　?。ǎ保┯萌f用表檢測。利用具有×１０ｋΩ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，二極管正向電阻阻值為幾十至２００ｋΩ，反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為０或為∞，反向電阻值很小或為０，則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因為×１０ｋΩ擋不能向ＬＥＤ提供較大正向電流。

　　如果有兩塊指針萬用表（同型號）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“－”筆接被測發(fā)光管的正極（Ｐ區(qū)），余下的“＋”筆接被測發(fā)光管的負極（Ｎ區(qū)）。兩塊萬用表均置×１０Ω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×１Ω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，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×１Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。

　?。ǎ玻┩饨与娫礈y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）可以較準確測量發(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。如果測得ＶＦ＝０或ＶＦ≈３Ｖ，且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。

　?。玻t外發(fā)光二極管的檢測

　　由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射１～３μｍ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，不同型號的紅外ＬＥＤ發(fā)光強度角分布也不相同。紅外ＬＥＤ的正向壓降一般為１．３～２．５Ｖ。正是由于其發(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，準備一只光敏器件（如２ＣＲ、２ＤＲ型硅光電池）作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外ＬＥＤ加上適當(dāng)正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測量電路如圖１１所示。