半導(dǎo)體發(fā)光二極管的原理及應(yīng)用特點

張永兵

[摘 ? ?要]半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用范圍廣，功耗小，使用壽命長，低碳環(huán)保。我國半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用非常廣泛，居民家庭中的很多照明設(shè)備都使用了半導(dǎo)體發(fā)光二極管，大部分路燈也使用了半導(dǎo)體發(fā)光二極管路燈作為照明光源，部分道路的照明燈具還結(jié)合了太陽能技術(shù)，可節(jié)省大量電能。感光二極管根據(jù)材質(zhì)的不同，可以分成砷鋁化鎵感光二極管、磷砷化鋁感光二極管、磷化鎵感光二極管和砷化鋁感光二極管等。主要對半導(dǎo)體發(fā)光二極管的原理及應(yīng)用特點進(jìn)行介紹。

[關(guān)鍵詞]半導(dǎo)體;發(fā)光二極管;應(yīng)用

[中圖分類號]TN312.8 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]Semiconductor light-emitting diodes have a wide range of applications， low power consumption， long service life， low carbon and environmental protection. The application of semiconductor light-emitting diodes in our country is very extensive. Many lighting equipment in residential households in my country use semiconductor light-emitting diodes. Most street lamps also use semiconductor light-emitting diode street lamps as lighting sources. Some road lighting lamps also combine solar energy technology. Save a lot of power. Photosensitive diodes can be divided into gallium arsenide aluminum arsenide photosensitive diodes， phosphor aluminum arsenide photosensitive diodes， gallium phosphide photosensitive diodes， and aluminum arsenide photosensitive diodes. The article mainly introduces the principle and application characteristics of semiconductor light-emitting diodes.

[Keywords]semiconductor; light emitting diode; application

1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理

半導(dǎo)體照明的感光二極管都是由Ⅲ～Ⅳ族化合物構(gòu)成，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體構(gòu)成的，其核心均為PN結(jié)，因此，其還具備一般P-N結(jié)的I-N特點，如正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特點，并且在一些特定條件下，其還具備了發(fā)光特點。在正向電壓下，電子由N區(qū)流入P區(qū)，空穴則由P區(qū)流入N區(qū)。流入對方區(qū)域的較少載流子（少子）中的一小部分與多數(shù)載流子（多子）結(jié)合而發(fā)亮。假如發(fā)光過程是在P區(qū)中進(jìn)行的，則射入的電子與價帶空穴進(jìn)行結(jié)合而發(fā)亮，又或是電子先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴結(jié)合而發(fā)亮。除這些發(fā)光復(fù)合之外，還有的是電子被非發(fā)光中心（這些中心介于導(dǎo)帶、價帶之間位置）所捕獲，之后電子又和空穴結(jié)合，但每次放出的能量都不大，無法產(chǎn)生可見光。感光的復(fù)合量相比于非感光復(fù)合量的比值越大，則光量子效率就越高。但因為復(fù)合是在少子體擴(kuò)散區(qū)域產(chǎn)生的，所以光只在靠近PN結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。理論與實踐都證明了，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg相關(guān)。若能形成可見光（波長在380 nm紫光～780 nm紅光），則半導(dǎo)體材料的Eg值將在3.26～1.63 eV左右。比紅外光波長的光是紅外線。現(xiàn)在有近紅外、紅、黃、綠和藍(lán)色發(fā)光二極管等，但其中的藍(lán)色二極管成本、售價都很高，且應(yīng)用并不廣泛。圖1為發(fā)光二極管示意圖;圖2為發(fā)光原理圖。

2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的特性

2.1 極限參數(shù)的意義

容許功率：容許加在半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩端正向直流輸出壓力和通過它的電流之積的平均值。高于此值，半導(dǎo)體發(fā)光二極管過熱、斷裂。

較大的正向直流電壓IFm：可以加的較大的正向直流電流。高于此值可能損傷二極管。

最大反向電流值：所容許加的最大反向電壓。高過此值，則感光二極管很有可能受到擊穿毀壞。

工作環(huán)境：指發(fā)光二極管能正常運行的理想化溫度范圍。減低或超出此操作溫度范疇，感光二極管將沒辦法正常運行，效率減低。

2.2 電參數(shù)的意義

光譜分布范圍和峰值波段：如果某一種感光二極管所感光的波段并不是某個波段，其波段大體按圖2所示的布局。該感光管所發(fā)出的光中某一波段為零的感光硬度最大值時，該波段為最大峰值波段。

光譜寬度：代表了感光管的光譜純度，是指圖3中1/2峰值強(qiáng)度所相應(yīng)的二波長間距。

正向運行時輸出電壓IF：這個是指感光二極管在正常的運行放光時的正向電壓值。在合理應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需要選擇IF值在0.6 IFm之內(nèi)。

V-I特點：在正向電壓信號正等于某一值（叫閾值）時，電流輸出信號極小，不發(fā)光。當(dāng)電流輸出信號達(dá)到一定值后，正向電流信號隨壓力而急劇上升，發(fā)光。從V-I曲線中可知道感光管的正向電流信號，正反向電流信號和正反向壓力等技術(shù)參數(shù)，感光管反向漏電流IR<10 μA。

3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的分類

按感光管的感光顏色分，可分成紅、橙、翠綠（又劃分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)等。除此之外，也有的感光二極管中還含有二種甚至三個以上彩色的晶片。而按照在感光二極管出光處摻或是不摻散射物、有色或是無色，這些不同顏色的感光二極管還應(yīng)該分成彩色透光、無色穿透、彩色散射和無色散射等四個類別。

從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來區(qū)分高方向性。通常由尖狀環(huán)氧密封，或帶金屬反射腔的密封，但通常不加分散劑。半值入射角度5°～20°或更小，有很高的方向性，可用于部分照明光源使用，并與光挑選出器聯(lián)合用以組成自動識別自動控制系統(tǒng)。

4 發(fā)光二極管的特點

4.1 節(jié)約能源

由于在半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光的過程中，總的電能是一定的，所以有大部分電能都轉(zhuǎn)換為光能，有部分電能也轉(zhuǎn)換為能量。在常規(guī)的白熾燈泡發(fā)亮的時候，由于它的燈絲有數(shù)千攝氏度的高熱，將大部分電能都以熱能的形態(tài)輻射了出去，從而導(dǎo)致了大量能量的耗費。在同樣的光照條件下，如果采用更節(jié)能的半導(dǎo)體發(fā)光二極管燈泡取代普通的白熱燈，一般可以節(jié)省約80%～90%的能量。

4.2 發(fā)光二極管壽命長

發(fā)光二極管的理論壽命可達(dá)到10萬h，這主要是由發(fā)光高壓二極管不同于傳統(tǒng)白熱燈的感光原理所確定的。而傳統(tǒng)的白熱燈時間很久以后就會產(chǎn)生衰老和斷絲的現(xiàn)狀。而由于發(fā)光二極管是依靠少數(shù)載流子的不斷移動而產(chǎn)生的，所以并沒有產(chǎn)生上述情況。較長的延壽也給了發(fā)光二極管良好的穩(wěn)定性，使發(fā)光二極管常被應(yīng)用于電子工業(yè)中用作指示燈。

5 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用

由于半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)簡單堅固、抗沖擊、抗震動、性能穩(wěn)定安全、材質(zhì)輕、尺寸小、制造費用較低等特性，其使用非常普遍。因此紅外發(fā)光管也常被用作電視、錄音機(jī)等的遙控器中;半導(dǎo)體發(fā)光二極管已廣泛運用在各類電子儀器、電子設(shè)備中用作電源與電平指示燈。近年來，由于半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光效果已提升一百倍，成本也降低到原來的1/10，廣為用作大規(guī)模圖文顯示的全彩屏，狀態(tài)指示燈、標(biāo)志照明、電子信息顯示屏、液晶顯示屏等的背光源，以及車用組合式尾燈和汽車燈具等相關(guān)方面，其前景已吸引了世界照明大廠都相繼投入半導(dǎo)體發(fā)光二極管燈光及市場研究中。具有良好發(fā)展前景和廣泛應(yīng)用前途的是白光半導(dǎo)體發(fā)光二極管，作為固體照明元件的經(jīng)濟(jì)效益可觀，并有利于環(huán)境保護(hù)，已逐漸替代傳統(tǒng)的白熾燈，美、日、歐也都提出了半導(dǎo)體照明規(guī)劃。按固態(tài)激發(fā)光物理學(xué)原理，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的感光效能可達(dá)到100%，所以，半導(dǎo)體發(fā)光二極管將被譽為21世紀(jì)的新型燈光，并可望作為世界繼白熱燈、熒光燈、強(qiáng)烈化學(xué)氣體放電燈以后的第四燈光。

5.1 顯示領(lǐng)域的應(yīng)用

感光二極管在顯示屏領(lǐng)域中的運用也非常普遍，最常見的是儀表盤指向燈。把常見感光二極管組合成矩陣，再制定為大小不一的控制模塊，又或把多個感光二極管組合成同一條集束管。再以此來為一組圖象，把多個集束管拼接，再搭配上專業(yè)的顯示屏集成電路，便可形成一套感光二極管顯示屏。這種顯示屏可以形成各種各樣的色彩。依照色彩差異可以分為單色、兩色和全彩顯示屏。尤其是全彩顯示屏，不僅可以呈現(xiàn)出差異色彩的圖象文字內(nèi)容，還能顯現(xiàn)3D動畫圖象與視頻。因而，在不同公共場合，全彩顯示屏都被大量的運用。

5.2 背光源領(lǐng)域的應(yīng)用

背光源通常指的是在電腦手機(jī)等較小規(guī)格型號液晶顯示屏上感光二極管供電的燈源，尤其是彩屏手機(jī)的推出對感光二極管的運用有非常大推動作用。因為發(fā)光二極管具有的環(huán)保節(jié)能特征，而被普遍作為手機(jī)操作面板、語音通話鍵盤及其拍照閃光燈等。如一部手機(jī)，假如使用了發(fā)光二極管作為操作面板，節(jié)約了能耗，還可以大幅度提高了手機(jī)的續(xù)航，而一個手機(jī)要使用上十多個的表貼式發(fā)光二極管組成。

5.3 景觀照明領(lǐng)域的應(yīng)用

伴隨著人類生活水平的逐漸改進(jìn)，對環(huán)境保護(hù)的要求也越來越高，景觀燈飾早已變成環(huán)境保護(hù)藝術(shù)性的主要方法。用發(fā)光二極管制成五彩斑斕的景觀燈不僅可以給周邊環(huán)境增艷，還從材料生產(chǎn)制造等領(lǐng)域節(jié)約了許多產(chǎn)品成本。在商業(yè)廣場、城市公園、商業(yè)街區(qū)等隨處都有發(fā)光二極管的影子，但主要全是使用潔白的發(fā)光二極管，因為潔白的發(fā)光二極管的發(fā)光效率不高，因此能耗也較為小，這有益于環(huán)保節(jié)能。有一些建筑物中的誘導(dǎo)燈泡，也是由發(fā)光二極管所組成的。發(fā)光二極管既可以形成溫和的燈色，為人類帶來美，與此同時運用各種各樣燈色的搭配，還可以使發(fā)光二極管顯現(xiàn)出差異的色彩、藝術(shù)欣賞和文學(xué)層級。

5.4 裝飾照明領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)光二極管在建筑裝潢市場的運用也較廣。房間內(nèi)、小院裝修、休息娛樂、戲臺、宣傳廣告牌、貨品陳列廳、工廠廠房倉庫、校園內(nèi)、辦公大樓等，都會運用某些室內(nèi)裝修燈源，運用發(fā)光二極管也可營造與眾不同的視覺效果。一套總體室內(nèi)裝修照明體系，應(yīng)當(dāng)由數(shù)個發(fā)光二極管分系統(tǒng)組成。這一些分系統(tǒng)通常由標(biāo)準(zhǔn)的CPU主控控制模塊和全彩發(fā)光二極管驅(qū)動控制模塊和電源轉(zhuǎn)換控制模塊所組成，控制模塊和元件相互之間，還應(yīng)當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)接口相連，運用計算機(jī)軟件完成差異的制定，就可以使總體室內(nèi)裝修照明體系顯現(xiàn)出差異的藝術(shù)效果。

5.5 汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車內(nèi)的儀表盤和各類電器開關(guān)，都使用了發(fā)光二極管作顯示燈。汽車外部燈光大多數(shù)為方向燈、車尾燈、剎車燈等。相較于白熱燈，感光二極管普遍使用于汽車燈光應(yīng)用場景，并具有抗機(jī)械設(shè)備碰撞和對震動回應(yīng)迅速等優(yōu)勢。像汽車尾端高位剎車燈，發(fā)光二極管的響應(yīng)時間更快，這對后車的司機(jī)提示十分關(guān)鍵。發(fā)光二極管在汽車行業(yè)的使用范疇正在由內(nèi)往外、由后往前拓展，伴隨著性價比的持續(xù)提高，發(fā)光二極管憑借著強(qiáng)大產(chǎn)能，終將占據(jù)整個汽車照明行業(yè)。

6 結(jié)束語

新時代在中國社會經(jīng)濟(jì)蒸蒸日上的過程中，科技也在創(chuàng)新提高，而科技也正慢慢地改善著人類的生活。發(fā)光二極管已普遍存在于人們周圍，其作為光源有著能耗低，節(jié)能環(huán)保，安全等優(yōu)勢。因此各行各業(yè)對發(fā)光二極管的廣泛使用，同時也從推動著半導(dǎo)體發(fā)光二極管的大量生產(chǎn)與應(yīng)用。

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