半导体发光二极管基本知识
led的基本知识
LED半导体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。
半导体发光二极管工作原理特性及应用
半导体发光二极管工作原理特性及应用一、工作原理LED基于半导体材料在电场下的直接复合或间接复合发光原理。
当一定电压施加于LED两端时，导电层中载流子（电子、空穴）通过电场获得足够的能量，与另一种类型的载流子发生复合，从而产生辐射能，实现光的发射。
LED的发光原理可分为直接发光和间接发光两种。
直接发光是指电子直接复合空穴，发射光子而产生发光。
间接发光是指电子向导带跃迁，空穴向价带跃迁，电子与空穴在晶格振动中发生“捕获释放”而使光子发生跃迁，从而发出光。
二、特性1.发光效率高：LED可以将大部分电能转化为光能，比传统光源如白炽灯、荧光灯的发光效率更高。
2.寿命长：LED的寿命远远超过传统光源，一般可达到几万小时或几十万小时。
3.节能环保：LED具有低功耗、低热量、无汞等特点，对环境友好，节能效果显著。
4.可调性强：通过控制电流的大小，可以调节LED的亮度，实现不同场景的照明需求。
三、应用1.照明领域：由于LED具有低功耗、寿命长等优势，被广泛应用于室内外照明，如家庭照明、商业照明、街道照明等。
2.显示屏幕：LED在显示技术中应用广泛，如大屏幕显示、电子标牌、室内外广告屏等。
3.信号指示灯：LED的快速开关特性使其非常适用于信号指示灯的应用，如交通信号灯、电子设备指示灯等。
4.汽车照明：LED不仅可应用于车灯照明，还可以用于仪表盘背光、内饰照明等方面，具有节能、环保等优势。
5.光通信：LED的发光效率高、频响特性好，适合用于短距离的光通信，如红外线通信、光纤通信等。
6.生物医学应用：LED在生物医学中的应用越来越广泛，如光疗、光动力学治疗等。
总结：LED具有工作原理简单、特性突出等优势，正在逐渐替代传统光源成为新一代照明和显示技术的主流。
随着半导体技术的不断进步，LED还将在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多的便利和舒适。
发光二极管(led)的基本特征
发光二极管(led)的基本特征发光二极管(led)的基本特征发光二极管（Light Emitting Diodes，LED），是一种具有漏电特性的半导体器件，能够将直接电流转换成光能，通过多种材料和结构的设计，能够实现不同颜色和亮度的发光效果。
结构类特征：发光二极管的主要结构是由P区和N区两种半导体材料组成的，中间有一层P-N结，它是由不同种类型的材料摆放在一起形成的。
其中，P 区被称为阳极区，N区被称为阴极区，而P-N结是最关键的部分。
当电子流向P-N结时，它们随着电流击中结晶晶格，形成了光子，这些光子随即通过晶体结构的透明层被释放出来。
材料类特征：发光二极管中的P区和N区材料不同，一般N区为 n型半导体，其禁带宽度较宽，导电性易被电子产生，而P区为 p型半导体，其禁带宽度则很窄，容易被空穴产生。
两种材料在P-N结上结合时，由于材料特性的不同，电子会被P区吸引，而空穴则被N区吸引，因而在P-N 结区域内就会发生电子和空穴的复合过程。
复合时由于能量的守恒定律，电子释放出的能量将以光的形式呈现出来。
性能类特征：发光二极管具有很多特性，其发光效率高、节能、使用寿命长、响应时间短等，都是其独特的性能。
目前，最高效的发光二极管可以达到250流明/瓦的效率，与传统白炽灯相比，节电效果明显，使用寿命也可达到5万小时以上。
响应时间只有微秒级别，非常适合高速通讯、摄像等需要快速相应的领域。
应用类特征：发光二极管由于其独特的性质，目前已经广泛应用于各种领域，包括照明、信息显示、通讯、汽车行业、生物医学等，其中最为广泛的应用就是照明领域，如公路照明、道路照明、影视照明等。
此外，发光二极管在室内照明及户外景观照明等领域也得到广泛应用。
而在信息显示方面，LED屏幕则被广泛应用于户外广告、场馆秀、体育等领域。
此外，发光二极管在电子产业和家电领域如电视、电脑等的照明和指示灯方面也有重要用途。
结语：发光二极管作为一种普及的光电器件，其独特的结构、材料及性能特点为我们的生活带来了很多方便。
发光二极管电路
发光二极管电路发光二极管是一种半导体器件，具有单向导电性和较高的光电转换效率。
在电路中，发光二极管常用于指示灯、数字显示、光电传感器等领域。
本文将介绍发光二极管电路的基本原理、常见接线方式和应用场景。
一、基本原理发光二极管的基本结构是由两种半导体材料P型和N型半导体材料组成。
在这种结构中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的自由电子结合，形成PN结。
当PN结被正向偏置时，电流流过发光二极管，电子和空穴在PN结中复合，释放出能量，产生光辐射；反向偏置时，电流很小，不会产生光辐射。
二、常见接线方式单个发光二极管电路是最简单的电路，可以用于实现指示灯等基本功能。
如图所示，通过正向偏置PN结，使电流流过发光二极管，产生光辐射。
在电路中，发光二极管的正极连接电源的正极，负极连接电源的负极。
2.串联发光二极管电路串联发光二极管电路将多个发光二极管依次连接起来，形成电路。
如图所示，多个发光二极管的正极依次连接起来，负极也依次连接起来。
在电路中，发光二极管的电流相同，但电压会被分配到每个发光二极管上。
3.并联发光二极管电路并联发光二极管电路将多个发光二极管并联起来，形成电路。
如图所示，多个发光二极管的正极连接在一起，负极也连接在一起。
在电路中，发光二极管的电压相同，但电流会分配到每个发光二极管上。
三、应用场景发光二极管广泛应用于指示灯、数字显示、光电传感器等领域。
其中，指示灯是最常见的应用场景。
例如，电子产品中的电源指示灯、充电指示灯、信号指示灯等都是使用发光二极管实现的。
数字显示也是发光二极管的典型应用之一，例如计算器、时钟等。
此外，发光二极管还可以作为光电传感器使用，可以检测光线强度、测量距离等。
发光二极管电路是一种基本的电路，具有简单、可靠、高效的特点，广泛应用于电子产品、自动化设备等领域。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的发光二极管类型和接线方式，以达到最佳的效果。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
半导体发光二极管工作原理特性及应用
半导体发光二极管工作原理特性及应用半导体发光二极管的工作原理基于半导体材料的光电效应。
它是由具有P-N结构的半导体材料构成，中间形成了一个禁带。
当正向电流通过LED时，P区的电子被输运到N区，而P区的空穴被输运到N区，同时在P-N结的附近形成一个空穴层和电子层的边界。
当电子从N区跃迁到P区时，它们会与空穴发生复合，释放出能量。
这些能量以光子的形式发射出来，形成可见光或红外光。
1.高效能：LED具有高能量转化效率，能够将电能转化为光能的效率接近100%。
2.低功率消耗：LED工作时电流非常小，因此其功率消耗相对较低，是一种低耗能的光源。
3.长寿命：LED的寿命一般可以达到数万到数十万个小时，远远超过传统的光源，如白炽灯和荧光灯。
4.快速开启和关闭时间：LED的开启和关闭时间非常短，可以以毫秒为单位实现闪烁或瞬变的光效。
5.抗震动：由于LED没有灯丝或玻璃外壳等易碎物质，因此具有很高的抗震动性能。
1.照明：随着LED技术的不断发展，LED已经成为一种流行的照明光源。
它可以用于室内照明、室外照明和汽车照明等。
由于其高效能和低功耗，LED照明具有节能环保的特点。
2.显示屏：LED被广泛应用于显示屏中，例如电视、电脑显示器和手机屏幕等。
LED显示屏具有亮度高、色彩鲜艳、对比度好等特点，可以实现高清晰度的图像显示。
3.指示灯和信号灯：由于LED具有快速开启和关闭时间的特点，因此非常适合用于指示灯和信号灯等场合。
它被广泛应用于交通信号灯、车辆灯光和电子设备中的指示灯等。
4.智能电子产品：由于LED的小尺寸和低功耗特点，它被广泛应用于智能电子产品中，如手表、手机、电子手册和计算器等。
5.军事和安全领域：由于LED具有快速开启和关闭时间、高亮度和长寿命等特点，因此在军事和安全领域得到广泛应用。
例如，LED被用于夜视设备、警示灯、激光雷达和激光通信等。
总之，半导体发光二极管是一种具有高效能、低功耗、长寿命和快速开启关闭时间等特点的器件，因此在照明、显示屏、指示灯、智能电子产品和军事安全领域等方面得到了广泛的应用。
发光二极管的工作原理
发光二极管的工作原理发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体器件，它能够将电能转化为光能，被广泛应用于各种光电产品中。
发光二极管的工作原理是基于半导体材料的特性和PN结的电子结构，通过激发电子跃迁来产生光。
本文将详细介绍发光二极管的工作原理及其相关知识。
首先，我们来了解一下发光二极管的基本结构。
发光二极管由P型半导体和N型半导体组成，它们通过PN结相连接。
当外加电压施加在PN结上时，电子和空穴将会在PN结区域聚集，形成电子空穴对。
当电子和空穴再结合时，会释放出能量，这些能量以光的形式辐射出来，从而产生发光现象。
其次，我们来解释一下发光二极管的工作原理。
在发光二极管的PN结中，P区域的载流子浓度较大，N区域的载流子浓度较小。
当外加正向电压时，P区域的电子将向N区域扩散，同时N区域的空穴将向P区域扩散。
在PN结区域，电子与空穴再结合时，会释放出能量，这些能量以光子的形式发射出来，从而产生发光。
这种发光的原理称为电子复合发光原理。
另外，发光二极管的发光颜色取决于半导体材料的能隙。
常见的发光二极管材料有红色、绿色、蓝色等。
对于红色LED，其发光原理是基于氮化镓（GaN）材料，其能隙为1.43电子伏特；对于绿色LED，其发光原理是基于磷化铟镓（InGaN）材料，其能隙为2.45电子伏特；对于蓝色LED，其发光原理是基于镓磷化铝（AlGaInP）材料，其能隙为2.1电子伏特。
通过控制半导体材料的能隙，可以实现不同颜色的发光二极管。
最后，发光二极管在实际应用中具有许多优点。
首先，它具有高效、低功耗、寿命长的特点，能够节能环保；其次，发光二极管具有快速响应、体积小、结构简单等特点，适用于各种小型化、便携式设备；此外，发光二极管还具有抗震动、抗冲击、抗干扰等特点，适用于恶劣环境下的使用。
总之，发光二极管通过半导体材料的特性和PN结的电子结构，实现了将电能转化为光能的工作原理。
它具有高效、低功耗、寿命长、快速响应等优点，被广泛应用于各种光电产品中。
发光二极管基本结构
发光二极管基本结构
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体器件，具有电流通过时能够发出可见光的特性。
它是一种固态光源，与传统的白炽灯和荧光灯相比，具有更高的能效、更长的寿命和更小的体积。
发光二极管的基本结构是由两种半导体材料构成的pn 结。
当正向电流通过时，电子从N 型半导体区域跨越pn 结流向P 型半导体区域，同时空穴也从P 型半导体区域跨越pn 结流向N 型半导体区域。
在这个过程中，电子与空穴发生复合，释放出能量，这些能量以光的形式辐射出来。
发光二极管的发光颜色与使用的半导体材料和掺杂元素有关。
发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。
发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。
发光二极管的发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。
发光二极管的外形有：圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。
常用的发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。
使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工
作电流来选择。
发光二极管的压降一般为1.5~2.0 V，其工作电流一般取10~20 mA为宜。
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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
Emission Area
0.254×0.254
N Electrode
P Electrode GaP P Epi Layer GaP N Epi Layer GaP N Substrate
表<1> 不同颜色的发光二极管所使用的发光材料
发光颜色 使用材料
波长
普通红 磷化镓 （GaP ） 700 高亮度红 磷砷镓 (GaAsP)
630
超高亮红 镓铝砷 (GaAlAs) 660 超高亮红
镓
铟
铝
磷 (AlGaInP)
625-640
普通绿、黄绿 磷化镓 （GaP ） 565-572
高亮绿
镓
铟
铝
磷 (AlGaInP)
572
超高亮绿 氮化镓 ( InGaN ) 505-540 普通黄、橙 磷砷镓 (GaAsP) 590,610
超高亮黄、橙
镓
铟
铝
磷 (AlGaInP)
590-610
蓝 氮化镓 ( InGaN ) 455-480 紫 氮化镓 ( GaN ) 400,430 白 氮化镓+荧光粉
460+YAG 红外
砷化镓 (GaAs)
>780
图<2>是LED 芯片图形。
多数管芯正面为P 面，连接到电源的正极，背面为N 面，连接到电源的负极（(GaAlAs 芯片正面为N ，背面为P ； 以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片P 、N 都在正面)。
约在管芯 2/3高处，是P 区和N 区的交界处，称PN 结。
当有电 流通过PN 结时产生发光，发光颜色取决于芯片材料， 而发光强度除了和材料有关外，还和通过PN 结电流的 大小以及封装形式有关。
电流越大，发光强度越高，但 当电流达到一定程度时出现光的饱和，这时电流再增加， 光强不再增加。
1.2 粘合剂
粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用导电银浆作为粘合剂，但对
于蓝宝石衬底的芯片，因两个电极都在正面，因此使用绝缘胶作为粘合剂。
银浆有单组份和双组份两种，目前使用的银浆大都为单组份银浆，这种银浆必须在低温下保存。
粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响，因此，必须根据实际情况，选择合适的粘合剂，并注意应在规定的期限内使用。
1.3 金线
金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。
主要有φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ30μm金线。
1.4 支架
支架也即LED的外引线,一般使用基体为铁并镀银的支架，但有时为了提高制品的散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。
1.5 环氧树脂
LED采用环氧树脂作为封装材料。
环氧树脂的性能对LED的光电特性尤其是可靠性有很大影响。
它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。
目前国内较常用的是台湾产的EP系列环氧树脂，而我公司外加工线则较多使用日本产的502、512、514等树脂。
502树脂的流动性较好，但出光效果较差，512树脂的出光效果好，但粘度较高，工艺可行性差，可靠性也较差，514树脂的最大优点是耐热性能好，因此，常用于可靠性要求较高的制品。
树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的树脂在主剂中加入了颜料，因此得到了各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出厂时是一种淡蓝色的液体，封装时根据需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色透明的液体。
在树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性，增大散射角，但同时法向发光强度降低。
2. LED的主要技术参数
2.1 电学参数
2.1.1 正向压降指每个LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号V
F
表示。
由不同材料制成的LED具有不同的V
F
值。
此外电极材料的选择以及电极制造过程
工艺条件的控制也对V
F 值有着重要影响。
组装过程影响V
F
值的因素主要是银浆的质
量。
银浆过期变质，使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成V
F
值增加。
2.1.2 反向漏电流是指给LED加上规定的反向电压时，通过LED的电流，
用符号I R 表示。
正常的LED ，I R 值应接近0。
反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有关。
银浆粘污PN 结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。
当银浆沾污PN 结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。
管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电，由于管芯崩裂现象镜检时较难发现且由此造成的漏电现象呈不稳定状态，使得在成品检测时易出现漏判，成为影响产品质量的一大隐患。
2.2 光度学及光度学参数 2.2.1 能量的辐射分布
光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。
我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以P λ表示。
发光器件在λ1和λ2范围内的辐射功率可表示为：
P λ1P λ 2 = ∫ P λd λ (1 )
P λ是一个相对的分布函数。
光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。
（1） 峰值波长λp
峰值波长λp 是指光谱强度最大处的波长, 它可以由光谱图很容易地确定。
图<3>是CaN 绿色LED 的光谱曲线, 由曲线可见, 其峰值波长是505 nm 。
（2） 半波宽度Δλ0.5
半波宽度Δλ
0.5
由λp 两边的两个波长
λ0. 5 -Δλ0. 5 求得：
Δλ0. 5
=λ
0. 5
-λ
0. 5
(2)
λ1 λ2
’ ” ’
”。