什么是发光二级管

1．发光二极管的作用 发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。图4-21是共电路图形符号。

发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。

2．发光二极管的分类 发光二极管有多种分类方法。

按其使用材料可分为磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷化镓(GaAs)发光二极管、磷铟砷化镓(GaAsInP)发光二极管和砷铝化镓(GaAlAs)发光二极管等多种。

按其封装结构及封装形式除可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装（D）、无色散射封装（W）、有色透明封装（C）和无色透明封装（T）。

按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种，图4-22为几种发光二极管的外形。

塑封发光二极管按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种。而圆形发光二极管的外径从¢2~¢20mm，分为多种规格。

按发光二极管的发光颜色又可人发为有色光和红外光。有色光又分为红色光、黄色光、橙色光、绿色光等。

另外，发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。

3．普通单色发光二极管 普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

图4-23是普通发光二极管的应用电路。

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650 nm ，橙色发光二极管的波长一般为610~630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585 nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570 nm。

常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列，见表4-26、表4-27和表4-28。

常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。

4．高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管 高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。

通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

常用的高亮度红色发光二极管的主要参数见表4-29，常用的超高亮度单色发光二极管的主要参数见表4-30。

5．变色发光二极管 变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。

变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。

图4-24是三端变色发光二极管的外形和电路图形符号

图4-25是六端变色发光二极管的外形和内部电路

常用的双色发光二极管有2EF系列和TB系列，常用的三色发光二极管有2EF302、2EF312、2EF322等型号，见表4-31。

6．闪烁发光二极管 闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。其外形、内部结构图及内电路框图见图4-26和图4-27。

闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。

表4-32是几种常用闪烁发光二极管的主要参数。

7．电压控制型发光二极管 普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流电阻。电压控制型发光二极管（BTV）是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体，使用时可直接并接在电源两端。

图4-28是电压控制型发光二极管的外形胩内部结构图。

电压控制型发光二极管的发光颜色有红、黄、绿等，工作电压有5V、9V、12V、18V、19V、24V共6种规格。

表4-33为BTV系列电压控制型发光二极管的主要参数。

8．红外发光二极管 红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。其外形图见图4-29。

红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等，见表4-34和表4-35。

图4-30是红外发光二极管的应用电路。

一些发光二极管产品，尤其是手电筒上的发光二极管有不同的光束颜色。这可不是使用了什么暗藏机关来使它们看上去漂亮，不同的光颜色有着不同的应用。下面就简单介绍一下最常见颜色和它的实际用途。

白色光有完美的颜色特性，但它会损害适应暗光的视觉，一定光源熄灭后需要一定的时间来重新适应。

红色光通常是用作夜视。红光不会引起你瞳孔过分收缩和一旦红光熄灭时眼睛不需要重新适应黑暗。红色也通常在单色相片处理被用作为“安全”颜色因为它不会损坏正在冲印的底片

黄色光有着红色光和白色光的一些优点。黄色光另外一优点就是当你阅读时减少因为长时间阅读而导致眼睛疲劳的反射和眩目的光。

绿色光也可以用作为夜视，绿色光还特别适用于在夜晚的时候阅读地图或图表。它还不那么容易被夜视装备发现，便很容易被人眼发现，绿色光的亮度比红色光低。

蓝色光可被用作在夜晚阅读地图和通常很受军事人员青睐，因为蓝色光增加了对比度的水平。它还可以用作戏院和演出时的后台工作灯色。

蓝绿光有着相似绿光和蓝光的夜视优点，但随着蓝绿光的颜色特性的提高，一些用户因为这个原因喜欢用蓝绿光。

红外线红光是与夜视装备一起使用的。否则人的眼睛是看不到红外线光的。

紫外光通常是用作识别钞票是否伪造，一些紫外发光二极管照明物在夜总会和派对上很受欢迎，它们被用来使荧光物质发出更亮的光。

光的颜色和它的波长

光的颜色是否可以看见是由它的波长决定的，光的波长是以纳米为单位的也说是十亿分之一米。发光二极管发出的光几乎都是一致的也就是说它几乎都是在一个波长，发出非常纯的颜色。以下是光的颜色和它的波长。

中红外线红光

4600nm - 1600nm --不可见光

低红外线红光

1300nm - 870nm --不可见光

850nm - 810nm -几乎不可见光，

近红外线光

780nm -当直接观察时可看见一个非常暗淡的樱桃红色光

770nm -当直接观察时可看见一个深樱桃红色光

740nm -深樱桃红色光

红色光

700nm - 深红色

660nm - 红色

645nm - 鲜红色

630nm -

620nm - 橙红

橙色光

615nm - 红橙色光

610nm - 橙色光

605nm - 琥珀色光

黄色光

590nm - “钠“黄色

585nm - 黄色

575nm - 柠檬黄色/淡绿色

绿色

570nm - 淡青绿色

565nm - 青绿色

555nm -

550nm - 鲜绿色

525nm - 纯绿色

蓝绿色

505nm - 青绿色/蓝绿色

500nm - 淡绿青色

495nm - 天蓝色

蓝色

475nm - 天青蓝

470nm - 460nm-鲜亮蓝色

450nm - 纯蓝色

蓝紫色

444nm - 深蓝色

430nm - 蓝紫色

紫色

405nm - 纯紫色

400nm - 深紫色

近紫外线光

395nm -带微红的深紫色

UV-A型紫外线光

370nm -几乎是不可见光，受木质玻璃滤光时显现出一个暗深紫色。

白光发光二极管有微黄色的到略带紫色的白光。白光发光二极管的色温范围有低至4000°K到12000°K。常见的白光发光二极管通常都是6500°- 8000°K范围内。

GaP的能带结构

电子和空穴的复合方式 室温下,Eg=2.26ev (Eg>1.72ev,即有望发射可见光) 对应发光波长λ=5500A GaP能带结构属于间接跃迁型,其带间复合发光 效率很低 其LED所依靠的只能是杂质发光

激子的定义

电子由价带激发到导带,就形成自由的电子 和空穴 激子:电子由价带激发到导带下面的一个激 发态而未到达导带的时候,电子将被束缚在 空穴的库仑场中,又不与空穴复合,这种电 子-空穴对可以一起在晶体中运动.这种由库 伦引力束缚在一起的电子-空穴对就叫激子.

等电子陷阱

等电子杂质指与点阵中被替代的原子处于周期表中同 一族的其他原子.例如 GaP中取代P位的N或Bi原子. 等电子杂质本身是电中性的,但由于它与被替代的原子 有不同的电负性和原子半径,对电子吸引力大小不 同,可以俘获电子(或空穴),称为等电子陷阱(相应在 禁带中产生一个等电子陷阱能级 等电子陷阱通过短程势俘获电子(或空穴)之后,成为 负电(或正电)中心,可以借助长程库仑作用吸引一 个空穴(或电子),于是形成了等电子陷阱上的束缚 激子. 例如,N取代P,形成等电子陷阱

半导体中某些处于最近邻的施主-受主对,例 如GaP中的Zn-O对及Cd-O对与Ga-P对价电子数 相等,实际上类似于晶体中的中性分子(尽管这 些不是等电子杂质).它们也以短程作用束缚电 子,构成等电子陷阱. Zn(Cd)与被取代Ga的电负性相同,而O比被它 取代的P电负性强,因而Zn-O对及Cd-O对比周 围的Ga-P对更容易束缚电子,成为等电子陷阱.

Gap的发光机理

LED发光:正向偏压下,注入少子与多子复合的 结果. 激子复合发光:从N区注入到P区的电子由等电子 陷阱能级俘获,并形成激子.由于等电子陷阱能 级在k空间的扩展,在k=0附近通过直接跃迁,电 子与空穴复合,因此可以效率较高的发光. Gap中形成等电子陷阱束缚激子的主要杂质有N (绿光),Bi(橙光),Zn-O和Cd-O(红光).

绿色发光(N等电子陷阱)

N的电负性强于P,取代P后易吸引电子而形 成等电子陷阱,其能级ET,N位于到带底以下 0.008ev处,N等电子陷阱俘获电子后再复合 空穴形成空穴形成束缚激子,其空穴束缚能 级Eh,N在价带顶之上0.011ev处,因而这种激 子复合发出的能量 hv=Eg-( ET,N + Eh,N )=2.24ev 对应发光波长为:550nm,绿光

红色发光(Zn-O,Cd-O)

电子从N区注入到P区,然后被Zn-O络合物 的等电子陷阱所俘获,并与空穴形成激子, 激子复合,高效率发出红光. ET,Zn-O在导带底以下0.3ev Eh, Zn-o在价带顶以上0.037ev 激子复合释放能量为1.90ev 对应发光波长为:650nm,红光

黄色发光(N-N)

实验表明,若掺N太多(>1019cm-3),发黄色光 N占据P位,当两个N原子靠得很近时,对电子的 束缚能要大于一个N原子对电子的束缚能,即NN陷阱对电子的束缚能大于N陷阱对电子的束缚 能,N-N陷阱束缚激子,激子复合发光,其能量 对应波长为黄色光.

其他复合发光机构

Zn-O陷阱俘获的电子与邻近的Zn受主俘获的 空穴相复合,发射波长在660nm左右的红光 孤立的O深施主(价带顶+0.897ev)俘获的电 子与Zn受主俘获的空穴相复合,发射红外光.

Gap是制造高亮度红光和绿光LED的主要材料. 不含O的GaP为绿光LED材料,含O的为红光LED 材料 GaP还可以跟GaAs无限共溶,形成带间复合发 射可见光的GaASP三元合金,历史上第一只商 品LED就是用这种材料制成的.

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