发光二极管

半导体发光二极管是一种把电能变成光能的器件，即给这种二极管通过一定的电流，它就可以发光。目前有些电子计算机及一些自动控制设备都用它作信号显示器。在一些光电控制电路中常用它作光源。用这种发光二极管还能做成半导体数码管等等，总之发光二极管的用途是很广的。

图1为几种发光二极管的外型。下面简单介绍一下发光二极管的种类、性能及其应用。

半导体发光二极管的种类很多，从发光颜色来分有发红外光的砷化镓发光二极管；发红光的磷砷化镓、砷铝镓、磷化镓（红色）发光二极管；发黄光的碳化硅发光二极管；发绿光的磷化镓（绿色）、砷化镓上转换绿色发光二极管以及发蓝光的和发紫光的发光二极管等等。

上述发光二极管大都采用两种结构，一种是将管心烧结在管座上，然后用透明环氧树脂封装，如图1（a）；另一种是用带玻璃透镜的金属帽进行封装，如图1（b）。还有一些大功率的管子，采用特殊的封装，如HG52型大功率砷化镓红外发光二极管，是采用将球形管心烧结在大型金属底座上的封装形式，如图1（c）。

发光二极管和普通二极管一样是由一个PN结组成的，它具有单向导电的特性。当我们给发光二极管加上正向电压后，则使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，相互注入的电子和空穴就会相遇而产生复合。电子和空穴在复合时将释放出能量。对于发光二极管来说，复合时释放出的能量大部分以发光的形式出现。为什么不同种类的发光二极管会发出不同颜色的光呢？为了说清楚这个问题，我们先介绍有关光谱分布的知识。

在物理实验中我们能看到这样的现象：当一束太阳光照射在三棱镜上以后就会分成按着红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的颜色顺序排列的光谱。经过仪器测定，每种颜色的光同无线电波一样均具有一定的波长，其中越靠近红色的光它的波长越长，越靠近紫色的光它的波长越短。图②所示为各种色光的频率和在真空中的波长。凡是波长比7700埃还长的光叫红外光，波长比4000埃还短的光叫紫外光。人眼能看见的光的波长范围在4000～7700埃。红外光和紫外光人眼是看不见的。从实验还发现光本身具有能量，而且波长越短的光具有的能量越大，反之波长越长的光具有的能量越小。

发光二极管的发光颜色（即发出光的波长）主要决定于制造发光二极管时所用的半导体材料。在不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态是不同的，因此当电子和空穴复合时所释放出的能量大小也不同，释放出的能量越大则发出光的波长就越短，复合时释放出的能量越小则发出的光的波长就越长。

发光二极管的发光颜色除与所用材料有关外，还与具有较高浓度的掺杂杂质有关。当用同一种材料做发光管时，由于所掺杂的杂质不同可引起电子和空穴复合时所释放出的能量不一样，因而发出光的波长也不一样。比如我们用磷化镓材料做发光二极管时，如用掺锌和氧的办法来制造PN结，则此管发7000埃的红光，如用掺锌和氮的办法制造PN结则发5600埃的绿光。

还有一类发光管是红外上转换发光二极管，它是在砷化镓红外发光管的管心上涂上一层用稀土元素制造的荧光粉（见图3），当砷化镓管心发红外光后，它照射在荧光粉上则使荧光粉受激发而发出绿光。

发光二极管的参数有二种，即电学参数和光学参数。电学参数有最大工作电流、正向压降、反向耐压等等。这些参数的意义和普通二极管相同。光学参数包括发光波长、发光亮度、光谱分布曲线、发光强度角分布曲线等。附表列出了一些常用发光二极管的主要性能参数供参考。

下面简要介绍一下发光二极管光学参数的意义。

（1）发光波长及光谱分布曲线

发光波长是指发光二极管在一定工作条件下所发出光的峰值（发光强度最大一点）对应的波长，由发光波长可知发光管的发光颜色。一个发光二极管发出的光可用光谱分布曲线来描绘。图④画出了四种发光二极管的光谱分布曲线，从曲线上可看出四种发光二极管所发出光的峰值波长以及带宽。带宽的概念与平常说的通频带相似。光谱曲线上某二点，它们的发光强度为峰值波长发光强度的50％，此二点对应的谱线宽度称带宽。一般发光二极管谱线带宽不大于400埃。

（2）发光亮度或发射功率

对发可见光的发光二极管，一般在参数表中给出一定工作条件下的发光亮度，它的计量单位是流明或毫流明。也可用单位面积的发光亮度来表示。它的单位是尺—朗伯即流明／（尺）\(^{2}\)。对于发红外光的发光二极管目前多采用发光功率来表示发光强度的大小，单位是瓦或毫瓦。

（3）发光强度的角分布曲线

发光二极管的发光强度随着我们观察它的角度不同其大小也是不同的。图⑤中曲线1是HG52型砷化镓发光管的发光强度角分布曲线；曲线2是磷砷化镓发光管的发光强度角分布曲线。从曲线中可以看出面对着发光管的轴向方向发光最强，越偏离开轴线方向发光越弱。发光强度的角分布与发光管的封装形式有关。如磷砷化镓发光二极管由于是树脂封装，管帽头部用树脂做成半球形，形成了一个聚光的透镜，因而发光的分散角θ小，而HG52型砷化镓发光管，管心前面没加封装，所以没有聚光效果因而分散角θ大。

当前应用比较广泛的发光管是砷化镓发光二极管和磷砷化镓发光二极管。

砷化镓红外发光二极管主要在光电控制电路中作为光源用，由于它发出的光的波长与硅光电二极管或硅光电三极管的接收峰值波长相近，所以用硅光电二极管或硅光电三极管做光接收元件的光电控制电路，采用砷化镓发光管做光源是很理想的。另外我们可以把小功率的砷化镓红外光源和硅光电二极管或硅光电三极管组装在一起，做成光电开关器件——光电耦合器。这种器件具有优良的隔离和抗干扰的性能，可以在自动控制线路中代替脉冲变压器或继电器起到隔离式开关的作用。

对于发可见光的发光二极管由于它们具有耗电低的特点，可直接用MOS电路或双极型电路推动点燃，因而适合在计算机、电话交换机以及一些仪器设备上做为线路的通断指示或数字显示。我们也可以把磷砷化镓发光管，磷化镓发光管的管心做成条状，用七条条状的发光管组成七段式的半导体数码管，每个数码管均可显示0－9十个数字（见图⑥）。由于半导体发光管的响应速度快，所以也可做快速光源用。另外发光二极管可装在晶体管收音机内作电源稳压管、调谐指示管，刻度盘照明等等。

下面介绍几个应用线路。

（1）发光二极管的驱动点燃电路。

发光二极管在电路中的符号见图1（d）。发光二极管可以用直流、交流、脉冲等电源驱动点燃。图⑦（a）为直流驱动电路，图⑦（b）（c）为交流驱动线路，（d）为脉冲驱动电路。在图（a）（b）（c）中R为限流电阻，调节R的大小可以改变流过发光二极管的电流大小，也即改变发光亮度的大小，电阻R还起保护发光二极管的作用，使发光管不会因工作电流太大而烧毁。图⑦（b）（c）中的二极管D它保护发光管在交流电负半周时不会被击穿。二极管D的反向耐压要大于交流电电源电压的峰值。

图⑦（a）中电阻R的大小可由公式①来估算。

式中E为电源电压，V\(_{F}\)为发光管的正向压降（单位用伏），对磷砷化镓发光管VF≈1.6伏，对砷化镓发光管V\(_{F}\)≈1.1～1.5V，IF为工作电流，可在5—30毫安之间选取。

在图⑦（b）交流线路中R的大小由（2）式估算

式中U\(_{m}\)为交流电压峰值，单位为伏，VD为二极管D正向压降，V\(_{F}\)为发光管正向压降，Im为工作电流峰值。图⑦（c）为另一种交流驱动电路，R的选择按下式估算

式中U\(_{m}\)、VF、I\(_{m}\)的意义同②式。

（2）磷砷化镓发光二极管在收音机上作为稳压管和电源指示。

在硅管收音机中多用二只硅二极管串联后作为电源稳压管。硅二极管的正向导通电压为0.7伏，二只管子串联后为1.4伏。磷砷化镓发光二极管正向压降在1.5伏左右，它的正向伏安特性曲线也很陡，见图⑧所示，所以利用磷砷化镓发光二极管的正向特性也可做稳压用。在用磷砷化镓发光二极管做稳压管时可以选择正向电流在l～2毫安就可以发光的管子，这样除了做稳压外还可以当电源工作指示灯，开机时灯亮，关机时灯灭。当电源电压降得很低时，通过发光管的电流就会降至起辉电流以下，发光管不亮，此时就应更换电池了。我们曾用磁砷化镓发光二极管在3伏袖珍晶体管收音机上作稳压用，电路如图⑨所示，发光管的工作电流由图中发光管上面的那个电阻来调节，工作电流可调在2.5～4毫安左右。当电源电压从3.2伏降到2伏时，稳压电路电压保持在1.5±0.05伏。

用磷砷化镓发光二极管还可做收音机刻度盘的照明及指针照明。图⑩（a）是将发光管装在有机玻璃片的中间，发光管的两条引线可以装饰成指针。图10（b）是指针照明，指针用红色透明有机玻璃制作。图⑩（c）为刻度盘照明的安装方式，刻度盘用有机玻璃制做，在上面按所需刻度刻出凹槽，在槽内涂以红色涂料，把发光管装在度盘的两边，当发光管发光后，刻度线的地方就显出红色。

最后谈谈应用发光二极管时应注意的几个问题。1．由于发光二极管正向伏安特性曲线很陡，电压稍变化一点，就引起电流很大变化，所以在调整发光管工作点时，主要是看工作电流的大小，使它不超过规定值，不要只看电压。2．HG52型大功率的砷化镓发光管由于工作电流大，管子易发热，在应用时要加散热片。3．发光管的管帽大都用透明树脂封装，在应用时要避免划伤、摩擦，不要沾上脏物。(刘铁墉)