半导体发光二极管的发光特性(精)
光纤通信技术课程教案
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半导体发光二极管工作原理、特性及应
LED发光二极管 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、M字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、M字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光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，使用不普遍。（二）LED的特性 1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪
测试LED光电特性的内容及方法介绍
LED灯具检测方法关键缺陷及改善策略 传统的 led 及其模块光、色、电参数检测方法有电脉冲驱动，CCD 快速光谱测量法，也有在一定的条件下，热平衡后的测量法，但这些方法的测量条件和结果与LED 进入照明器具内的实际工作情况都相差甚远。文章介绍了通过Vf—TJ 曲线的标出并控制LED 在控定的结温下测量其光、色、电参数不仅对采用LED的照明器具的如何保证LED 工作结温提供了目标限位，同时也使LED 及其模块的光、色、电参数的测量参数更接近于实际的应用条件。文章还介绍了采用LED的照明器具如测量LED 的结温并确定LED 参考点的限值温度与结温的函数关系。这对快速评估采用LED 的照明器具的工作状态和使用寿命提供了一个有效的途径。 一、序言 对于一个新兴的产品，其产品自身的发展总是先于产品标准和检测方法。虽然产品的标准和检测方法不可能先于产品的研发，但是，产品的标准和检测方法应尽可能地紧跟产品设计开发的进度，因为产品的标准和检测方法的制定过程本身就是对产品研发过程的回顾研讨和小结，只要条件基本成熟，产品标准和检测方法的制订越及时，就越能减少产品研发过程的盲目性。LED 照明产业发展到现在，我们对LED 照明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已经基本到来。 二、 LED 模块的光电参数和检测方法的现状和改进方法 1、传统的LED 模块的检测方法 目前传统的 LED 模块的检测方法主要有两种，第一种是采用脉冲测量的方法，它是把照明LED 模块固定在测量装置上（例如积分球的测量位置等），采用脉冲恒流电源与瞬时测量光谱仪的同步联动，即对LED 发出数十毫秒～数佰毫秒恒流的脉冲电流的同时，同步打开瞬时测量光谱仪器的快门，对LED 发出的光参数（光通量、光色参数等）进行快速检测，同时，也同步采集LED 的正向压降和功率等参数。由于这种方式在检测过程中，LED 的结温几乎等同于室温，所以，测量结果的光效高，光色和电参数与实际使用情况有明显差异，这一般都是LED 芯片（器件）生产商采用的快速检测方法，而与LED 实际应用在最终照明器具中的状态不具有可参比性。 第二种检测方法是把LED模块安装在检测装置上后，可能带上一固定的散热器（也可能具有基座控温功能），给LED施加其声称的工作电流，受传统的照明光源检测方法的影响，也是等到LED达到热平衡后再开始测量它的光电参数。这种方法看似比较严密，但实际上，它的热平衡条件和工作条件与此类LED装入最终的照明器具中的状态仍没有好的关联性，因此所测的光电参数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。已经颁布的GB/T24824—2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模块的基本性能的测量方法》标准中，在这方面是这样规定的：“试验或测量时LED模块应工作在热平衡状态下，在监视环境温度的同时，最好能监视LED模块自身的工作温度，以保证试验的可复现性。如可能监测LED模块结电压，则应首选监测结电压。否则，应监测LED模块指定温度测量点的温度”。可见在监测结电压的条件下来测量LED 模块的光电参数是保证检测重现性的首选方案，但是，标准中没有指明在模拟实际使用结温条件下检测LED 模块的光、色、电参数。 2、LED 模块测量方法的改进
半导体发光二极管标准
半导体发光二极管 1 范围 本标准规定了冰箱事业部半导体发光二极管的设计选用要求、试验方法、检验规则和包装、贮存。 本标准适用于冰箱事业部控制器、照明指示灯等所选用的半导体发光二极管。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修改版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 191 包装储运图示标志 GB/T 2423.3-1993 电工电子产品基本环境试验规程试验Ca:恒定湿热试验方法(idt IEC 68-2-3:1984) GB/T 4937-1995 半导体分立器件机械和气候试验方法(idt IEC 749:1995) GB/T 4938-1985 半导体分立器件接收和可靠性 GB/T 17626.2-1998 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验(idt IEC 61000-4-2:1995) QMB-J10.010 关于规范RoHS标识的操作指引 QMB-J10.011 逐批检查计数抽样程序及抽样表 3 半导体发光二极管分类 3.1 按颜色分类 a)红色发光二极管（λD：620-660nm） b)橙色发光二极管（λD：600-620nm） c)黄色发光二极管（λD：580-600nm） d)绿色发光二极管（λD：500-577nm） e)兰色发光二极管（λD：430-480nm） ：380-410nm） f)紫色发光二极管（λ P g)白色发光二极管（T C：3000-25000K） 3.2 按芯片材料分类 a)InGaAlP/GaAs b)GaN/ Al2O3或SiC衬底 c)InGaN/ Al2O3或SiC衬底 4 要求 4.1 静电防护工艺要求 因产品易受静电破坏，生产及运输过程中应做好静电防护工作, ImGaAlP/GaAs系列及GaN基/SiC衬
LED发光二极管工作原理、特性及应用演示教学
LED发光二极管工作原理、特性及应用 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、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。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 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，使用不普遍。 （二）LED的特性 1．极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2．电参数的意义 （1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。 2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。 （3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔. （4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
LED工作特性
什么是二极管 二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中，额外的原子改变电平衡，不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。带额外电子的半导体叫做N型半导体，由于它带有额外负电粒子，所以在N型半导体材料中，自由电子是从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体，由于带有正电粒子。电子可以从一个电子空穴跳向另一个电子空穴，从负电区域向正电区域流动。 因此，电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N型半导体物质与P 型半导体物质结合，每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体，从而形成一个损耗区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满，所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。 为了除掉损耗区就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的，连接二极管N 型一方到电流的负极和P型连接到电流的正极。这时在N型物质的自由电子会被负极电子排斥和吸引到正极电子。在P型物质中的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候，在损耗区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动。损耗区消失，电流流通过二极管。
如果尝试使电流向其它方向流动，P型端就边接到电流负极和N型连接到正极，这时电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处，损耗区增加。 为什么二极管会发光 当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。 发光二极管的伏安特性 正向电压(VF)&.正向电流(IF); 反向电压(VR)&反向电流(IR); LED是电流驱动元件,非电压驱
发光二极管主要参数与特性
发光二极管主要参数与特性 https://www.360docs.net/doc/0b13984940.html,发布日期：2007-2-5 17:12:17 信息来源：LED 发光二极管主要参数与特性 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C -V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 1、LED电学特性 1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 如左图： (1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。 （2）正向工作区：电流I F与外加电压呈指数关系 I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流。 V＞0时，V＞V F的正向工作区I F 随V F指数上升 I F = I S e qVF/KT （3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压 V= - V R 时，反向漏电流I R（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。 （4）反向击穿区 V＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- V R时，则出现I R突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压V R也不同。 1.2 C-V特性 鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mi l (300×300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。 C-V特性呈二次函数关系（如图2）。由1MH Z交流信号用C-V特性测试仪测得。 1.3 最大允许功耗PF m 当流过LED的电流为I F、管压降为U F则功率消耗为P=U F×I F LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = K T（Tj – Ta）。 1.4 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~1 0-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。 ① 响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中t r 、t f 。图中t0值很小，可忽略。 ② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 LED的点亮时间——上升时间t r是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。
半导体发光二极管工作原理、特性及应用(精)
（一）LED发光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! 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（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，使用不普遍。（二）LED的特性 1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔. （4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为 视角（或称半功率角）给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在 0.6·IFm以下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正
发光二极管特性参数(精)
发光二极管特性参数 IF 值通常为 20mA 被设为一个测试条件和常亮时的一个标准电流，设定不同的值用以测试 二极管的各项性能参数，具体见特性曲线图。 IF 特性： 1. 以正常的寿命讨论，通常标准 IF 值设为 20 － 30mA ，瞬间（ 20ms ）可增至 100mA。 2. IF 增大时 LAMP 的颜色、亮度、 VF 特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件， IF 值增大：寿命缩短、 VF 值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大、 角度不变，与相关参数间的关系见曲线图； 1.VR （ LAMP 的反向崩溃电压） 由于 LAMP 是二极管具有单向导电特性，反向通电时反向电流为 0 ，而反向电压高到一定程度时会把二极管击穿，刚好能把二极管击穿的电压称为反向崩溃电压，可以用 “ VR ”来表示。 VR 特性： 1. VR 是衡量 P/N 结反向耐压特性，当然 VR 赿高赿好； 2. VR 值较低在电路中使用时经常会有反向脉冲电流经过，容易击穿变坏； 3. VR 又通常被设定一定的安全值来测试反向电流（ IF 值），一般设为 5V ； 4. 红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到 20 － 40V ，蓝、纯绿、紫色等晶片反向 电压只能做到 5V 以上。 2.IR （反向加电压时流过的电流） 二极管的反向电流为 0 ，但加上反向电压时如果用较精密的电流表测量还是有很小的电流，只不过它不会影响电源或电路所以经常忽略不记，认为是 0 。 IR 特性： 1. IR 是反映二极管的反向特性， IR 值太大说明 P/N 结特性不好，快被击穿； IR 值 太小或为 0 说明二极管的反向很好； 2. 通常 IR 值较大时 VR 值相对会小， IR 值较小时 VR 值相对会大； 3. IR 的大小与晶片本身和封装制程均有关系，制程主要体现在银胶过多或侧面沾胶， 双线材料焊线时焊偏，静电亦会造成反向击穿，使 IR 增大。
LED特性测量实验
LED特性测量实验 【实验目的】 1、了解LED的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。 2、设计简单的测试装置，并对发光二极管进行V－I特性曲线、P—I特性曲线的测量。 【实验装置】： LED(白光和黄绿光)，精密数显直流稳流稳压电源，积分球（Φ＝30cm），多功能光度计，光功率计，直尺，万用表，导线、支架等。 【实验原理】 1、发光二极管的发光原理 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片。p型半导体和n型半导体在相互接触的时候，由于两者的功函数或者说是费米能级的不同，p区中的空穴就会流向n 区，而n区中的电子也会扩散到p区中去，同时产生建电势差，产生耗尽层，当载流子的扩散运动和漂移运动平衡时候pn结就达到平衡状态，如图3所示。pn结正向偏置的时候，建电势差变小，势垒的高度变小，以载流子的扩散运动为主，电子和空穴就会更容易克服势垒分别流向p区和n区。在p－n结耗尽层处，电子和空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是发光二极管的发光理论。 图3 图4 2、发光二极管的主要特性 （1）光通量
LED 光源发射的辐射波长为λ的单色光，在人眼观察方向上的辐射强度和人眼瞳孔对它所的立体角的乘积，称为光通量ΦV （单位是流明lm ），具体是指LED 向整个空间在单位时间发射的能引起人眼视觉的辐射通量。 光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，测量光通量必须要把LED 发射的光辐射能量收集起来，可以用积分球来收集光能。测量的探测器应具有CIE 标准光度观测者光谱效率函数的光谱响应。LED 器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，可用一置于球壁上的探测器来测量这个光通量成比例的光的照度。基于实验室提供的资料，由积分原理，积分球任一没有光直接照明的点的光照度为：2 41E R ρ πρ Φ= -。其中Φ为光源的光照度，R 为积分球的半径，ρ为积分球壁的反射率。所以测量得到球壁上任一点的光照度就可以求得光源的光通量了。 （2） 发光强度 发光强度表示在指定方向上光源发光的强弱。若某个光源在法线方向上，辐射强度为(1/683)W/sr （即一单位立体角度光通量为1流明时），则称其发光强度为1坎德拉(candela )，符号为cd 。 要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。一般使用CIE 推荐的“平均发光强度”的概念：照射在离LED 一定距离处的光探测器上的通量，与探测器构成的立体角的比值。 CIE 对近场条件下的LED 测量，有两个推荐的标准条件：CIE 标准条件A 和B 。两个条件都要求所用的探测器有一个面积为1cm 2 的圆入射孔径，LED 面向探测器放置，并且保证LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。本实验中使用的是亮度比较低的LED ，所以使用条件B ，使LED 顶端到探测器的距离为100mm 。 （3） 发光效率 （4） V －I 特性 由于在耗尽层中的载流子复合有一定的几率，在正向电压小于阈值电压时，耗尽层中的载流子很少，复合几率也比较低，正向电流极小，不发光。当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。由V －I 曲线可以得出LED 的正向电压，反向电流以及反向电压等参数。
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
发光二极管主要参数与特性(精)
发光二极管主要参数与特性 LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。它具备pn 结结型器 件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 1、LED 电学特性 1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 如左图： (1) 正向死区：（图oa 或oa ′段）a 点对于V 0 为开启电压，当V ＜Va ，外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散 而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同，GaAs 为1V ，红色GaAsP 为1.2V ，GaP 为1.8V ，GaN 为2.5V 。 （2）正向工作区：电流I F 与外加电压呈指数关系 I F = I S (e qV F /KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流 。 V ＞0时，V ＞V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I S e qV F /KT （3）反向死区 ：V ＜0时pn 结加反偏压 V= - V R 时，反向漏电流I R （V= -5V ）时，GaP 为0V ，GaN 为10uA 。 （4）反向击穿区 V ＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应I R 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V ＜- V R 时，则出现I R 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。 1.2 C-V 特性 鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil ，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压） C ≈n+pf 左右。 C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MH Z 交流信号用C-V 特性测试仪测得。 1.3 最大允许功耗PF m 当流过LED 的电流为I F 、
半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称LED)(精)
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、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。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 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，使用不普遍。 （二）LED的特性 1．极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型
LED的光学特性
LED作为一个光源，LED电源工厂的光学参数包括光和辐射在空间分布的能量参数、光和辐射能量的光谱分布参数及它们在人眼中所引起的心理响应。LED的光学特征参数包括:光通量、发光强度、相对光谱功率分布特性、峰值波长和峰值波长半宽度等，这些都是衡量LED作为一个光源的发光特性的主要参数. 2.3.1相对光谱功率分布 LED的相对光谱功率分布是在其光辐射波长范围内(u]，各个波长的辐射功率分布情况.常采用光谱辐射计进行测量.在实际场合中通常用相对光谱功率分布来表示。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布.以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布.称为相对光谱能量(功率)分布PM.光谱波长丸为横坐标，相对光谱能量分布PM为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线.知道了光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色特性.反过来说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化. 人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会(CIE)根据标准观侧者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以记录在RGB系统的墓础上采用设想的三原色X. Y, Z(分别代表红色，绿色和蓝色)，建立了CIE-1931色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定了“CIE1931-XYZ标准色度学系统”.计算出三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线，如图(12]2一所示，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示.根据此配色函数，后续发展出数种色彩度量定义.使人们得以对色彩加以描述运用. LED的光谱功率分布的测试需要通过分光进行，将各色光从混合的光中区分出来进行测定，采用棱镜和光栅实现分光·对于实现了空间分离分布的各个波长的光，一般用单色仪各个波长逐个采集或线阵CCD全波段一次采集的方法得到整个光谱功率分布曲线.
半导体二极管和三极管分析
第7章半导体二极管和三极管 7.1 半导体的基本知识 7.2 PN结 7.3 半导体二极管 7.4 稳压二极管 7.5 半导体三极管
第7章半导体二极管和三极管 本章要求： 一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。
对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。
7.1 半导体的基本知识 半导体的导电特性： (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强
7.1.1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si 价电子
Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。 本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。 空穴温度愈高，晶体中产 生的自由电子便愈多。 自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。
半导体发光二极管基本知识
半导体发光二极管基本知识 自从60年代初期GaAsP红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发 光二极管新材料取得很大进展。最早发展包括用GaAs 1-x P x 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-x P x 掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。到了 80年代中期出现了GaAlAs发光二极管，由于GaAlAs材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED的发展达到一个新的阶段。这些GaAlAs发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。近几年来，由于CaN材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。 本课程将介绍LED的基本结构、LED主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED制造主要工艺过程。 1. 发光二极管（Light Emitting Diode）的基本结构 图<1>是普通LED的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。 组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架 和环氧树脂。 1.1 管芯 事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的PN结。由 不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材 料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组 份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光 二极管所使用的发光材料。图<1>普通LED基本结构图