LED发光二极管工作原理
光學基礎知識
一﹑光學基本概念
1﹒光通量Φ
定義﹕人眼所感受的光能量的大小稱為光通量﹒通常用字母Φ表示﹒
光通量的單位﹕流明lm
2﹒發光強度.. Iv
定義﹕點光源向各方向發出的可見光﹐在某一方向﹐在單位立体角.. dΩ內發出的光通量為.. dΦ﹐則點光源在該方向上的發光強度.. Iv為﹕
Iv＝dΦ/dΩ
發光強度.. Iv的單位﹕坎德拉cd 1000mcd＝1cd
3﹒光出射度.. M
定義﹕光源單位發光面積所發出的光通量大小﹒
M＝dΦ/dA
光出射度的單位﹕勒克斯lx（＝1lm/ m2）
4﹒光照度.. E
定義﹕單位受照射面積接受的光通量大小﹒
E＝dΦ/dA
光照度的單位﹕勒克斯lx（＝1lm/ m2）
5﹒光亮度.. L
描述具有有限尺寸的發光体發出的可見光在空間的分布情況﹒
定義﹕單位發光面積.. dA在θ方向的發光強度.. Iv与該單位面積在垂直于該方向平面上的投影.. cosθdA之比﹒
L＝Iv/cosθdA
光亮度的單位﹕坎德拉／平方米cd/m2
6﹒發光效率η
定義﹕光源所發出的光通量Φ和該光源所消耗的電功率Ｐ的比值﹒
η＝Φ/Ｐ
發光效率的單位﹕流明／瓦lm/w
白熾燈發光效率﹕.. 15 lm/w LED可達到.. 100 lm/w(實驗室值)
白光ＬＥＤ的效率﹕25lm/w
7﹒色溫
黑体是指這樣一种物体﹒它能在任何溫度下將輻射到它表面的任何波長的能
量全部吸收﹒
黑体的光出射度Ｍ隨溫度上升而極快的上升﹒
Ｍ黑=σT4
上式為著名的斯蒂芬－玻爾滋曼定律﹐其中σ為斯蒂芬－玻爾滋曼常數﹒
當光源所發出的光的顏色與黑体在某一溫度下輻射的顏色相同時﹐黑体的這
個溫度就稱為該光源的顏色溫度﹐簡稱色溫﹒..
8﹒顯色指數
描述光源照射到物体上所產生的客觀效果﹒如果各色物体受照射時效果和標
准光源照射時一樣﹐則認為該光源的顯色性好﹐即顯色指數高﹔反之﹐如果物体在受照射后顏色失真﹐則該光源的顯色性就差﹐即顯色指數低﹒
二﹑顏色的基本知識
1﹒顏色及其分類
顏色是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官所產生的心理感受﹒顏色是一
种物理﹑生理及心理學有關的複雜現象﹒
顏色可分為非彩色和彩色兩大類﹒根据顏色形成的物理机制的不同﹐顏色又可
分為光源色﹑物体色及熒光色﹒自發光形成的顏色﹐一般稱為光源色﹔自身不發
光﹐憑借其它光源照明﹐通過反射或透射而形成的顏色稱為物体色﹔物体受光照
射激發所產生的熒光与反射或透射光共同形成的顏色稱之為熒光色﹒..
2﹒顏色的表觀特征
顏色有三種表觀特征﹕明度﹑色調和飽和度﹒
明度表示顏色的明亮程度﹒對于光源色﹐明度值與發光体的光亮度有關﹔對
于物体色﹐此值與物体的透射比或反射比有關﹒
色調是區分不同彩色的特征﹒可見光譜范圍內﹐不同波長的輻射﹐在視覺上
呈現不同的色調﹐如紅﹑黃﹑綠﹑藍﹑紫等等﹒光源色的色調取決于輻射的光譜
組成﹐而物体色則既與照明光的光譜組成有關﹐還同物体對光的選擇性吸收有
關﹒例如﹕物体反射波長為.. 480nm~560nm的輻射﹐吸收其它波長的輻射﹐在白
光照明下呈綠色﹒
飽和度表示顏色接近光譜色的程度﹒人們在觀察顏色時﹐通常是在白天日光
下進行的﹒一种顏色﹐可以看成是某種光譜色與白色混合的結果﹒其中光譜色的
白光所占的比例越大﹐顏色接近光譜色的程度就越高﹒飽和度高﹐顏色則深而艷﹒
光譜色的白光成分為０﹐飽和度達到最高﹒非彩色只有明度的差別﹐沒有色調區
分﹐飽和度為０﹒
顏色的三原色為﹕紅（Ｒ）﹑綠（Ｇ）﹑藍（Ｂ）﹒這三种顏色可匹配所有顏色﹒
R&D1陳興榮.. 2003.6.2
发光二极管的工作原理图解分析
发光二极管,通常称为LED,是在电子学世界里面的真正无名英雄。它们做了许多不同工作和在各种各样的
设备都可以看见它的存在。
基本上,发光二极管只是一个微小的电灯泡。但不像常见的白炽灯泡，发光二极管没有灯丝，而且又不会特别热。它单单是由半导体材料里的电子移动而使它发光。
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。电子可以从另一个电子空穴跳向另一个电子空穴，从从负电区域向
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型就连接到电流的正极。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
光是能量的一种形式，一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子，是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。在原子中，电子在原子的四周围以轨道形式移动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。通常来说，有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。当电子从一个更低的轨道跳到一个更高的轨道，能量水平就增高，反过来，当从更高轨函数跌落到更低的轨函数里时电子就会释放能量。能量是以光子形式释放出来的。更高能量下降释放
更高能量的光子，它的特点在于它的高频率。
自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数，所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的，当二极管是由某种物质组成的时候，你只是可以看见光子。在标准硅二极管的原子，比如说，当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果，由于电子频率这么低的情况下人的眼睛是无法看得到的。
可见光发光二极管，比如用在数字显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的频率，换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极管都发出光时，大多数都不是很有效的。在普通二极管里，半导体材料本身吸引大量的光能而结束。发光二极管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。
发光二极管比传统的白炽灯有几个优点。第一个是发光二极管没有灯丝会烧坏，所以寿命就更长。此外，发光二极管的小小塑性灯泡使得发光二极管更持久耐用。还可以更加容易适合现在的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量。这是完全是浪费能源。除非你把灯当做发热器用，因为绝大部分有效电流并不是直接产生可见光的。发光二极管所发出的热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程
度上减少对电能的需求。
直到现在，因为是用先进半导体材料制造所以发光二极管在大多数照明应用上还过于昂贵。半导体器件的价格在过去10年里大幅度地降低，然而，使得发光二极管在更广的应用下的一个更划算照明选择，在不远的将来，发光二极管将会在世界技术上扮演更加大的角色。
LED发光二极管工作原理及检测方法
发光二极管LED（Light-EmittingDiode）是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。
1、发光二极管LED主要特点
（1）在低电压（1.5～2.5V）、小电流(5～30mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。
（2）发光响应速度快（10-7～10-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。
（3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。
（4）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1mm的属于超微型LED。
（5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。
（6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。
（7）容易与数字集成电路匹配。
2．发光二极管的原理
发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1 所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式
L =K IFm
式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。当IF>10mA时，m=1，式（
L =K IF
即亮度与正向电流成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，会烧毁LED的PN结。此外，LED的使用寿命将缩短。
由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音机和电子仪器的电平指示器、调谐指示器、电源指示器等。发光二极管在正向导通时有一定稳压作用，还可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。目前市场上还有一种带反射腔及固定装置的发光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在仪器面板上。
LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAsP）、磷砷化镓（GaAlAs）、砷铝化镓（GaN）氮化镓可发蓝光。
3．使用注意事项
（1）管子极性不得接反，一般讲引线较长的为正极，引线较短的是负极。
（2）使用中各项参数不得超过规定极限值。正向电流IF不允许超过极限工作电流IFM 值，并且随着环境温度的升高，必须作降额使用。长期使用温度不宜超过75℃。
（3）焊接时间应尽量短，焊点不能在管脚根部。焊接时应使用镊子夹住管脚根部散热，宜用中性助焊剂（松香）或选用松香焊锡丝。
（4）严禁用有机溶液浸泡或清洗。
（5）LED的驱动电路必须加限流电阻，一般可取一百欧至几百欧，视电源电压而定。
（6）在发光亮度基本不变的情况下，采用脉冲电压驱动可以节省耗电。对于LED点阵显示器，采用扫描显示方式能大大降低整机功耗。
4．检查发光二极管的好坏
发光二极管具有单向导电性，使用R×10k档可测出其正、反向电阻。一般正向电阻应小于30k欧姆，反向电阻应大于1M欧姆。若正、反向电阻均为零，说明内部击穿短路。若正、反向电阻均为无穷大，证明内部开路。
常见发光二极管的种类及主要参数见表2。需要说明两点：第一，对于同种材料的管芯，由于所掺杂质的不同，发光颜色亦不同；第二，LED属于电流控制型器件，VF随IF而变化，所标VF值仅供参考。
此外，根据外形也可以区分发光二极管的正、负极。早期生产的管子带金属管座，上面罩一光学透镜，管侧有一突起，靠近突起的是正极。目前生产的LED，全部用透明或半透明的环氧树脂封装而成，并且利用环氧树脂构成透镜，起放大和聚焦作用，这类管子引线较长的为正极。
注意事项：
不推荐使用R×1k档测量LED的正、反向电阻。因为该档电池电压E
仅仅测量正、反向电阻，并不能检查其能否正常发光。由于发光二极管的正向电压VF 一般1.5～2.5V，而万用表R×1或R×10档的电池电压为 1.5V，所以不能使管子正向导通并且发光。R×10k档的电池电压虽然较高，但因内阻太大，提供的正向电流很小，管子也不会正常发光。
采用双表法可以检查发光二极管的发光情况。最好选同一种型号的两块万用表，均拨一R×1或R×10档，按图1(a)所示串联使用，以提供较高的正向电压。等效电路见(b)图。
假定两块万用表均采用MF30型，并且均拨到R×1档。因为一块表的电池电压E=1.5V，欧姆中心值R0=25欧姆，所以总电压和总电阻分别是
E′= 2E= 2×1.5=3V
R0′= 2R0= 2×25=50欧姆
如果把它们看成一块新表，等效电路就简成（c）图。新表的满度电流是：
IM′= E′/ R0′=2E/ 2R0= E/ R0=IM
可见满度电流值并未改变。
发光二极管在使用时应加上限流电阻R，将正向电流IF限制在10～30mA为宜，避免功耗太记而损坏管子。一般典型正向电流可选10mA，IF的计算公式为
IF= E－VF/ R
（c）图中的R0′能起到限流作用，因此不必另接限流电阻。磷砷化镓发光二极管的正向压降较低，为1.7V左右。E′=3V将R0′=50欧姆，可求出用双表法测量时的正向电流为IF= E′－VF/ R0′=3－1.7/50=26 mA <30 mA
因此对管子没有危险。电路接通之后，管子能发出晶莹夺目的红光。
如果选用的两块万用表R×1档欧姆中心值不等，设分别为R01、R02，而两表R×1档的电池电压均为E（E=1.5V），则此时
IM′=2 E / R01 R02
IF=2 E －VF / R01 R02
实例：测量一只型号不明的发光二极管。
第一步，判定正、负极。用MF30型万用表的R×10k档测得正向电阻为26k欧姆，反向电阻接近无穷大。测正向电阻时，黑表笔接的就是正极。
第二步，将两块MF30型万用表均拨至R×1档采用双表测量，被测管发出艳丽的红光。若把发光二极管的极性反接，加上反向电压时管子就不能发光。
然后将两块万用表拨于R×10档，管子发光暗淡。这是因为总电阻R0′=2×250=500欧姆，提供的正向电流较小所致。此时
IF≈3－1.7/500=2.6 mA
注意事项：
（1）采用双表法必须先调整好两块万用表的欧姆零点。
（2）为了不损坏被测发光二极管，测量前应计算IM′值，若IM′≥50mA，需选择R×10档。例如，两块500型万用表R×1档串联后的总电阻R0=20欧姆，IM′=IM=75mA>50mA。改用R×1档时IM′=7.5 mA，与典型正向电流IF=10mA就比较接近。
实际上发光二极管本身尚有1.5～2.5V压降，因此上述结果均留有一定余量。
假如不知道被测发光二极管的正向电压，也不清楚IM′值。建议先把两块表都拨到R×10档，若发光很暗，再改拨R×1档。
LED发光二极管原理（图文）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
LED显示屏系统原理及工程技术 导读：LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。 本主题首先介绍了LED显示屏的发展与应用概况。 在第一章中叙述了LED显示器件的基本工作原理及特性，详细介绍了LED点阵显示屏的具体电路和参数。第二章针对广泛应用的图文显示屏，在介绍它的基本组成之后，对各部分LED显示屏电路进行了深入的分析，并给出了完整实用的硬件电路图和全部汇编语言程序清单。 第三章的内容是图象显示屏，侧重分析了LED显示屏的灰度控制方法，并介绍了集成电路TLC5902的特性及应用。 第四章讨论了当时最先进的视频显示屏，就视频信号源的组织、视频LED显示屏的结构、主要集成电路芯片，以及配套的应用软件等，分别介绍了ZQL9701、DS90C031等芯片的技术特性和LEDSHOW、&ldquo；LED管理工具&rdquo等软件的使用方法。书后还附有我国LED的行业标准。本书可供从事各类LED显示屏工作的工程技术人员参考，也可作为大专院校有关专业的教书参考书或教材。 前言 LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED 制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。 LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。应该指出的是，我国LED产业不但在应用技术上取得了巨大的成功，而且在创新能力上有出色的表现，例如北京中庆数据设备公司研制的ZQL9701超大规模芯片，就代表了当前LED显示屏控制电路的国际水平。 与国内LED显示屏产业的迅速发展相比，目前关于LED显示屏的图书资料显得太少，不便于设计制造人员及运用维护人员的工作，由此萌发了编写一本LED显示屏技术用书的想法，适逢电子科技大学出版社之邀，斗胆动笔草就本书。书中分别就LED显示屏的概况、LED显示器件、图文显示屏、图象显示屏、视频显示屏等有关技术问题进行了叙述，以期使从事各类LED显示屏工作的读者能够从本书中得到一些有用的材料。 由于LED显示屏是多种综合应用的产品，涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方路及方法还要花较大篇幅进行介绍，容易冲淡主题。反过来采用集成电路和单片机等简单普及的刻与LED显述硬件又有软件。上述各个领域都自成体系，在本书中无法一一尽述，只能以显示意直接有关的部分，而不追求各相关技术自身的完成性；二、尽量采用简单普及的方案进不方案，可以追求相关技术的先进性。例如在一些控制电路中，能用常规集成电路实现，而又面，既示避免各个相关技术“从头说起”的麻烦，从而达到精简内容突出重点的目的。而不行描屏有进行讨论。书中在处理相关领域技术方面采取了以下两条对策：一、侧重叙述屏为主线，介绍相关技术在LED显示屏中的应用，不采器件的方案。 LED电子显示屏控制原理
PIN光电二极管 1. 工作原理 在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 通过插入I层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的，但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变PIN观点二极管的响应速度。 2. PIN光电二极管的主要特性 (1) 截止波长和吸收系数 只有入射光子的能量 PIN型光电二极管 也称PIN结二极管、PIN二极管，在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。 目录 PIN型光电二极管的结构 PIN结的导电特性 PIN型光电二极管的主要参数 PIN型光电二极管的典型应用
PIN型光电二极管的结构 pin结二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结 构，如图1所示。对于Si-pin133结二极管，其中i型层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻 率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m 之间）；i型层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高（即为重掺杂）。 平面结构和台面结构的i型层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。 PIN结的导电特性 pin 结就是在 pin 结的空间电荷区分别在 i 型层两边的界面处，而整个的 i 型层中没有空间电荷，但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场，所以 pin 结的势垒区就是整个的 i 型层。 ①基本概念： 众所周知，一般 p-n 结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快，即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程）时才是允许的。而对于势垒区厚度较大（≈载流子平均自由程）的p-n 结，则就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所造成的影响，这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。
1．发光二极管的特点 ? 发光二极管LED（Light-Emitting Diode）是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。其主要特点是： （1）在低电压（～）、小电流(5～30mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。 （2）发光响应速度快（10-7～10-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。 （3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。 （4）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1 mm的属于超微型LED。 （5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。 （6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。 （7）容易与数字集成电路匹配。 2．发光二极管的原理 发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎[德拉]每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式 L =K IFm 式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=～。当IF＞10mA时，m=1，式（）简化成 ?????? L =K IF 即亮度与正向电流成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，就会烧毁LED的PN结。此外，LED的使用寿命将缩短。 由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音机和电子仪器的电平指示器、调谐指示器、电源指示器等。发光二极管在正向导通时有一定稳压作用，还可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。目前市场上还有一种带反射腔及固定装置的发光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在仪器面板上。
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。
光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比： 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式
处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的 光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应 度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我 们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。) 光伏模式 光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应， 它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度 每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电 容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下 表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。 Material Dark Current Speed Spectral Range Cost Silicon (Si) Low High Speed Visible to NIR Low Germanium (Ge) High Low Speed NIR Low Gallium Phosphide (GaP) Low High Speed UV to Visible Moderate Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Low High Speed NIR Moderate Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) High Low Speed NIR to MIR High High High Speed NIR High Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) High Low Speed NIR to MIR High Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) 结电容 结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积 大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结 电容，增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆 的同轴电缆。带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示：
发光二极管资料 一、生产工艺 1. 工艺： a）清洗：采用超声波清洗PCB或LED支架，并烘干。 b）装架：在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张，将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔 将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。 c）压焊：用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线。LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。（制作白光TOP-LED需要金线焊机） d）封装：通过点胶，用环氧将LED管芯和焊线保护起来。在PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品 的出光亮度。这道工序还将承担点荧光粉（白光LED的任务。 e）焊接：如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED,则在装配工艺之前，需要将LED焊接到PCB板上。 f）切膜：用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。 g）装配：根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。 h）测试：检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。 包装：将成品按要求包装、入库。 二、封装工艺 1. LED 的封装的任务 是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。 2. LED 封装形式 LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED TOP-LED、Side-LED 、SMD-LED、High-Power-LED 等。 3. LED 封装工艺流程 4．封装工艺说明 1. 芯片检验 镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill ） 芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求 电极图案是否完整 2. 扩片 由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm）,不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。 3. 点胶 在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（对于GaAs SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石 绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。） 工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。 4. 备胶
光电二极管的工作原理与应用 学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强 摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理
姓名：刘玉东学号：2111403132 电子与通信工程2班 LED(发光二极管) 摘要 发光二极管LED是一种能发光的半导体电子元件。是一种透过三价与五价元素所组成的复合光源这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，被hp买价专利后当作指示灯利用。之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现，近年续渐发展至被用作照明。 1.LED图片 2.LED的发展史 20世纪50年代，英国科学家发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世，但此时的LED只能发出不可见的红外光。在60年代末，发明了第一个可以发出可见的红光的LED。到了七八十年代，又发明出了可以发出橙光、绿光、黄光的LED。90年代由日亚化学公司研制出了超高亮度的蓝色LED，并产生了通过用蓝色管芯和加光荧光粉可以发出任何可见颜色的光的技术。在1998年，发白光的LED 开发成功。 3.LED的分类 （1）普通单色发光二极管 （2）高亮度发光二极管 （3）超高亮度发光二极管 （4）变色发光二极管 （5）闪烁发光二极管 （6）电压控制型发光二极管 （7）红外发光二极管 （8）负阻发光二极 4.LED的结构及发光原理 LED结构图如图1所示发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结（如图2所示）。当给发光二极管加上正向电压后，从p区注入到n区的空穴和由n区注入到P区的电子在p-n结处复合，产生自发辐射，同时以光子的方式释放出能量，从而把电能转换为光能。 当LED处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半
LED数码管的结构及工作原理 LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图。 图1 这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管 图2 引脚定义
每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点. 数码管分为共阳极的LED 数码管、共阴极的LED 数码管两种。下图例举的是共阳极的LED 数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led 数码管原理图示意： 图3 引脚示意图 从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT 端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。 共阳极LED 数码管的内部结构原理图图4： 图4 共阳极LED 数码管的内部结构原理图 a b c d e f g dp
共阴极LED数码管的内部结构原理图： a b c d e f g dp 图5 共阴极LED数码管的内部结构原理图 表1.1 显示数字对应的二进制电平信号 LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A、静态显示驱动：
LED 工作原理 液晶是一种介乎于液体和晶体之间的物质，其显示的原理是通过给液晶施加不同的电压来改变其分子排列状态，从而控制光线的通过量，以便显示多种多样的图像。而液晶自身并不会发光，它只是控制光线的通过与否，因此所有的液晶面板都需要背光源来提供照明。 图1 液晶驱动原理 实际上，LED 也就是我们通常所说的发光二极管，通俗些讲，它就是在PN 结中注入载流子，少数载流子与多数载流子复合后，释放出能量，表现以光的形式，从而实现电致发光。它也并非什么新物件了，这些年已经被应用在户外广告、标牌、指示灯、汽车前大灯、电器按键背光源等多个方面。 发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P 区，在P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED 发光的原理。 Field OFF Field ON 0//>-=?⊥εεε
图4 LED背光光源的工作原理 更重要的是，LED可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线，早些时候，LED 还只能发出单波长光线，还不能像白炽灯那样工作，甚至只有蓝、红、绿等颜色。 如果只是这样的话，LED无法被做成白光源，也就没法被应用为液晶电视的背光源了。而这些年，众多液晶电视厂商也都在这方面动脑筋，着重开发白光LED背光源。在这一方面，日本企业一直都是先行者，它们在1996年就提出了些解决方案，以日亚化学为例，它们提出的方案就是在蓝色LED上涂抹黄色荧光粉实现白光输出。 LED背光的优势点： 首先，采用了LED 背光，液晶面板的体积将进一步缩小；其次，LED是由众多栅格状的LED 组成，每个“格子”中都拥有一个LED，这样LED 背光就能实现真正的光源平面化；我们知道，平面化光源不仅有优异的亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计，应用了L ED的液晶电视就可以被做得更薄，还能实现真正的光源平面化另外，在发光寿命方面，LE D背光源技术更是可以超出传统的CCFL许多。咱们知道，普通的CCFL 背光源的使用寿命一般在3万小时左右，即便是顶级的CCFL背光源的寿命也不过6万小时。而LED 背光则完全没有这样的问题，现阶段白色LED 背光的寿命已经高达10万小时，很多专家还提出这一成绩甚至有进一步发展的空间，消费者即使是24小时不间断使用，LED液晶电视也
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。
LED发光二极管工作原理及检测方法 发光二极管LED（Light-EmittingDiode）是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。 1、发光二极管LED主要特点 （1）在低电压（1.5～2.5V）、小电流(5～30mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。 （2）发光响应速度快（10-7～10-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。 （3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。 （4）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1mm的属于超微型LED。 （5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。 （6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED 平极型电视屏等。 （7）容易与数字集成电路匹配。 2．发光二极管的原理 发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1 所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式L =K IFm 式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。当IF>10mA时，m=1，式（L =K IF 即亮度与正向电流成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，会烧毁LED的PN结。此外，LED的使用寿命将缩短。 由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音
?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
《让发光二极管亮起来》教学设计 天台小学许彩珍 教学目标： 1、初步认识发光二极管，了解发光二极管的结构特点。 2、认识二极管电路符号，能设计简单的小夜灯电路图，合理使用电阻原件 保护发光二极管。 3、继续了解简单电路，认识串联电路，能正确连接串联电路，点亮发光二极管。 4、通过点亮发光二极管，使学生喜爱电子技术，乐于探究。 教学重点和难点： 重点：认识发光二极管的特性，能正确连接发光二极管。 难点：能合理使用电阻元件保护发光二极管，能连接多个发光二极管。 教学准备： 材料：红、绿、黄等发光二极管若干，接插件若干，100欧姆电阻若干，不同类型导线若干，电池盒，5号电池4节，黑胶带等。 工具：剪刀。 教学过程： 课前谈话： 同学们请坐好。各小组组长请起立。课前我们来做个小游戏，看黑板上的符号猜元件名称。（电池、开关、灯泡）。让小灯泡亮起来，得用导线将它们连接起来，师画。 电流从电源的正极出发，依次经过开关、灯泡，最后接到电源的负极，形成了电路。这是我们在《让灯泡亮起来》这课中学过的知识，我们先回顾到这里。 一、创设情境，激趣导入 今天老师为大家准备了一些图片，请同学们欣赏。师边播放边介绍，这些屏幕叫LED屏幕，是由一个个发光二极管组成的，它还有一个名字叫“LED”。 LED被誉为21世纪的绿色光源。它色彩鲜艳，使用寿命长达10万个小时，电压一般为 1.5V----2.3V，它高效节能，安全系数高，已被广泛应用于生产和生活中。 这些屏幕中的发光二极管是如何亮起来的呢？这就是这节课我们要探究的内容。 二、认识发光二极管的构造和电路符号 （一）观察发光二极管
1、我们先来认识一下发光二极管。（出示发光二极管）请小组长拿起工具箱里的小塑料袋。组内同学一起看看塑料袋里的发光二极管，研究一下它的结构特点。 2、学生观察，组内交流。 3、汇报。你发现了什么？（发光二极管有一个半透明的草帽状外壳，两根引脚线。引脚线长的是正极，短的是负极。）（观察的很仔细） （二）了解发光二极管与小灯泡的区别 1、上课前我们已经回忆了点亮灯泡的方法，我们可以用两根导线、一节电池让灯泡亮起来，哪位同学愿意上来演示一下。 2、小灯泡已经亮起来了，用这样的方法连接也能让发光二极管也亮起来吗？请这位同学再来试试。 3、你发现什么了？（发光二极管不会亮。）为什么不会亮？电压不够。怎样才会使它亮起来呢？（预设：再加一节电池试试。） (三) 认识电路符号和电阻特点 1、在动手试验前先来看老师画发光二极管的电路图，师画。跟灯泡电路图比较一下，你发现了什么？ 2、这是100欧姆的电阻符号。请同学们看书本30面图4---2，这就是电阻。那么为什么要在发光二极管电路中加100欧姆的电阻呢？小组内讨论一下，看哪一组同学最聪明。 3、汇报。（预设：一个发光二极管的能承受电压是1.5—2.3V, 两节电池的电压是3V,电压太大，需要接上100欧姆的电阻限流，保护发光二极管。） 三、合作尝试点亮一个发光二极管 1、按照这个电路图，能不能点亮发光二极管呢？同学们想不想尝试一下？（想） 2、下面我们先来点亮一个发光二极管。先看老师来示范一遍。坐得最端正，听得最认真这一小组，等一下肯定也能最快地点亮发光二极管。师边示范边讲解注意点：试验前先检查电池盒的开关是否处于断开状态。将电阻与电池盒的正极（红色导线）连接，用胶布绝缘，尽量将胶布贴得平整一些，不要露出铁丝。再将电阻的另一头与带有接插件的红色导线连接。装上发光二极管，接着将黑色导
光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 原理： 普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 PN型 特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。 用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。 PIN型 特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应。 用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。 检测方法 ①电阻测量法 用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10MΩ左右。在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。 ②电压测量法 用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。 ③短路电流测量法 用万用表50μA档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。 主要技术参数： 1.最高反向工作电压； 2.暗电流； dark current 也称无照电流光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。此外在生理学方面，是指在无光照时视网膜视杆细胞的外段膜上有相当数量的Na离子通道处于开放状态，故Na离子进入细胞内，形成一个从外段流向内段的电流，称为暗电流（dark current）。暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流.(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流.) 所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流。光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流