1.2 發光二極管（LED）及其使用

1.2.1 LED概述

發光二極管（LED）是一種直接注入電流的電致發光器件，其半導體晶體內部受激電子從高能級回復到低能級時發射出光子，屬自發輻射躍遷。LED為非相干光源，具有較寬的譜寬（30～60nm）和較大的發射角（約100°），常用于低速、短距離光傳輸系統。

1.LED的結構及原理

發光二極管由P型和N型半導體組合而成，它實際上是將PN結管芯燒結在金屬或陶瓷底座上，歐姆接觸引出兩根金屬引線，然后用透明環氧樹脂封裝而成的。

LED的工作原理是，當PN結加上正向電壓時，結區勢壘降低，P區的空穴載流子p向N區擴散，N區的電子n向P區擴散，p與n在PN結區相遇復合，從而釋放能量而發光。

光的波長（決定光的顏色）由形成PN結構的材料決定，因而可以制造各種不同波長的LED。目前實用的發光二極管大多用Ⅲ～Ⅴ族半導體材料制成，用這些材料制成的發光二極管的特性參數如表1-2所示。

2. LED的主要特點

LED具有如下主要特點：①工作電壓低，有的僅需1.5～1.7V即能導通發光，一般正向電壓約為2V，因而能直接與集成電路匹配使用；②工作電流小，其典型值約為10mA；③具有和普通晶體二極管相似的單向導電特性，只是死區電壓略高些；④具有和硅穩壓二極管相似的穩壓特性；⑤響應速度極快，時間常數為10-6～10-9s，有著良好的頻率特性，調制頻率可以很高；⑥小巧輕便、耐震動、壽命長，一般可達10萬小時以上。

主要缺點是發光效率低，有效發光面很難做大。

1.2.2 LED的檢測

1. 普通LED的檢測

（1）用萬用表檢測

在沒有專用檢測儀器的情況下，通常用萬用表進行檢測。一般利用R×1kΩ擋或R×10kΩ擋的指針式萬用表，可以大致判斷 LED 的好壞。正常合格的產品，LED 的正向電阻值為幾十至200kΩ（大多小于50kΩ），反向電阻值為無窮大（∞）；如果LED的正、反向電阻值均為0或∞，或正、反向電阻值比較接近，則均說明管子有問題。但這種檢測方法不能看到LED的發光情況，因為R×1kΩ擋或R×10kΩ擋不能向LED提供較大的正向電流。

但是，若用兩塊指針式萬用表（最好同型號），可以較好地檢測發可見光的LED的發光情況。具體方法是：用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測LED的正極（P區），余下的“+”筆接被測LED的負極（N區）。兩塊萬用表均置R×10 Ω擋。這樣，電池總電壓為3V，總內阻為50 Ω，可提供給LED的工作電流達10mA。因此，在正常情況下，接通后就能正常發光。若這時亮度很低，甚至不發光，可將兩塊萬用表均置R×1 Ω擋（工作電流大于10mA）。如仍很暗，甚至不發光，則說明該LED性能不良或損壞。需要注意的是，不能一開始測量就將兩塊萬用表均置R×1 Ω擋，以免電流過大損壞發光二極管。

（2）用外接電源檢測發可見光的LED的光電特性

用一臺3V 穩壓電源或兩節串聯的干電池及萬用表（指針式或數字式均可），可以較準確地測量發光二極管的光電特性。為此，串接一個75 Ω 的限流電阻即可進行測試。如果測得VF在1.4～3V之間，且發光亮度正常，說明LED正常。如果測得VF=0或VF近似等于3V，且不發光，說明 LED 已壞。如果被檢測的是采用碳化硅和藍寶石材料的黃色、藍色 LED，因其正向壓降VF=6V，則需另外用6V電源或干電池和限流電阻進行測試。

2. 紅外LED的檢測

由于發射紅外光，人眼看不到，因此利用上述可見光LED的檢測方法僅能判定其PN結的正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發光情況是否正常。一般，紅外LED的正向壓降為1.3～2.5V，且單個紅外LED的發射功率只有數mW，而不同型號的紅外LED的發光強度角分布也不同。為了判定其發光情況，除利用3V電源串接限流電阻與紅外LED外，必須準備一只2CR型或2DR型硅光電池作為接收器。這樣，只需用萬用表（置1V擋）檢測光電池兩端電壓的變化情況，即可判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發射紅外光。

1.2.3 LED的驅動

發光二極管的驅動方式有直流驅動、恒流驅動、脈沖驅動和掃描驅動等。由于直流驅動與恒流驅動是熟悉的簡單的驅動，因而這里僅介紹脈沖驅動和掃描驅動。

1. 脈沖驅動

由于發光二極管一般工作電流低于25mA 時，其發光亮度與正向電流的關系基本為線性；當電流超過25mA時，由于PN結發熱而使曲線彎曲。采用脈沖工作方式，可減小PN結發熱的影響，使線性范圍得以擴大，因此通常采用脈沖驅動的工作方式，如圖1-1所示。

采用脈沖驅動方式時，應該注意脈沖電流幅值和頻率的選擇。脈沖驅動電流的平均值Ia是瞬時電流i的時間積分，對于矩形波來說，有

式中，ton/T是占空比。為了使脈沖驅動方式下的平均電流Ia與直流驅動電流Io相同，就需要使它的脈沖幅值滿足

由此可見，在脈沖驅動時，脈沖電流的幅值應該比直流驅動電流大T/ton倍。

其次是脈沖頻率的問題，對于目視視頻來說，驅動脈沖頻率至少應高于20Hz，否則會產生閃爍現象。

2. 掃描驅動

掃描驅動是通過數字邏輯電路，使若干 LED 器件輪流導通，從而節省控制驅動電路。LED顯示屏是將發光燈按行按列布置的，驅動時也就按行按列驅動。在掃描驅動方式下可以按行掃描，按列控制；也可以按列掃描，按行控制。

一個m行n列結構的LED顯示屏的行掃描列控制的原理及波形如圖1-2所示。由圖可見，當采用行掃描列控制的驅動方式時，從H1到Hm輪流將高電位接通各行線，使連接到各行的LED器件接通正電源，但具體哪一個LED導通，還要看它的負電源是否接通，這就是列控制所要完成的工作。例如在LED顯示屏上需要LED11熄滅，LED21點亮，因而當掃描到H1行時，L1列的電位就應該為高；當掃描到H2行時，L1列的電位就應該為低。

1.2.4 LED的應用

由于 LED 的顏色、尺寸、形狀、發光強度及透明等情況不同，使用時，首先應根據實際需要進行恰當選擇；其次要注意LED的極限參數的限制，即允許功耗PM、最大正向直流電流IFm、最大反向電壓VRm、工作環境溫度范圍等。因此使用時應保證不超過此限制值。為了安全起見，實際工作電流IF應選在0.6IFm以下，應讓可能出現的反向電壓VR＜0.6VRm。

目前，發光二極管主要用于以下幾方面。

1.數字、文字及圖像顯示

（1）七段式數碼管顯示器

七段式數碼管是把管芯切成細條拼成如圖1-3所示的形狀。工作時分別接通某些細條使其發光，使得到0～9這十個可變換的數字。其連接方式簡單，有兩種：即分別連接到7個三極管的集電極的共陽極形式和連接到發射極的共陰極形式。這種七段式數碼管，已在數字手表、數字鐘和數字化儀器的數字顯示上得到了廣泛的應用。

（2）米字管、符號管顯示器

米字管和符號管的結構原理相似，其驅動方式也基本相同。圖1-4是14畫的米字字碼管，它可顯示10個數字和26個英文字母，并可根據同樣的設計增添其他的符號，而符號管則主要用來顯示“+”、“-”或“±”等。

（3）LED點陣式顯示器

LED點陣式顯示器與由單個LED連成的顯示器相比，具有焊點少、連線少、所有亮點在同平面、亮度均勻、外形美觀等優點，因而得到了廣泛的應用。通常，把發光二極管按矩陣排列，最常用的點陣式顯示器為5×7矩陣，如圖1-5所示，它除了能完成數碼管所能顯示的字符外，還能顯示文字和一些其他符號。

考慮到要顯示小數點時，這種顯示器便需要5×7+1=36個發光單元，13根引出線。它的顯示原理如圖1-6和圖1-7所示。圖1-6是從橫向（行）輸入信號，用縱向（列）轉換開關來進行顯示的。圖1-7是從縱向輸入信號，用橫向轉換開關來進行顯示的。該顯示器用掃描驅動方式，選擇較大峰值電流和窄脈沖作為驅動源，每個LED的平均電流不應超過20mA。根據顯示文字的各點坐標，在掃描過程中利用脈沖來控制開關的啟閉，使組成文字的各點順序發光。雖然發光是閃爍的，但由于人眼的余像效應，看起來仍是一個靜止的文字。

如果將多塊這種LED點陣管組合，則可構成大屏幕顯示屏。1978年，日本三洋電機公司利用發光二極管底板代替顯像管，研制出了超薄型電視機，它是在5×7.5cm2的陶瓷線路上，把6124個發光二極管配制成格子狀，這些發光二極管可按照圖像信號的幅度顯示任意圖像。目前，LED作為顯示元件已發展到彩色和大面積的漢字、圖表、圖像等的顯示，并被廣泛用于機場、車站、碼頭，以及許多公共場所的指示、說明、廣告等場合。

2.其他應用

（1）指示、照明

單個發光二極管還可用做儀器儀表指示燈、示波器標尺、收音機刻度及鐘表中的文字照明等。此外，它還大量用于手機中等作為按鍵背光、面板背光源，特別是LED彩屏背光源，以及數碼相機用的LED閃光燈照明等。目前，已有雙色、多色甚至變色的單個發光二極管。例如，英國將紅、橙、綠三種顏色的管芯組裝在一個管殼里顯示多種顏色的單個發光管等。

（2）光源

紅外發光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器中，LED作為信號光源多用在光電尺寸測量等光電檢測中。目前，已開發出白光LED作為環保照明光源。

（3）光電開關、報警、遙控、耦合

LED的應用很廣，可用來制作光電開關、光電報警、光電遙控器及光電耦合器件等。