发光二极管工作原理.docx

该【发光二极管工作原理 】是由【PIKAQIU】上传分享，文档一共【5】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【发光二极管工作原理 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。发光二极管工作原理发光二极管通常称为LED,它们虽然名不见经传,却是电子世界中真正的英雄。它们能完成数十种不同的工作,并且在各种设备中都能找到它们的身影。它们用途广泛,例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字,从遥控器传输信息,为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。假设将它们集结在一起,可以组成超大电视屏幕上的图像,或是用于点亮交通信号灯。本质上,LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。但它们并不像一般的白炽灯,它们并不含有可烧尽的灯丝,也不会变得特别烫。它们能够发光,仅仅是半导体材料内的电子运动的结果,并且它们的寿命同一般的晶体管一样长。在本文中,我们会分析这些无所不在的闪光元件背后的简洁原理,与此同时也会说明一些饶好玩味的电学及光学原理。二极管是最简洁的一种半导体设备。广义的半导体是指那些具有可变导电力量的材料。大多数半导体是由不良导体掺入杂质〔另一种材料的原子〕而形成的,而掺入杂质的过程称为掺杂。就LED而言,典型的导体材料为***化铝镓(AlGaAs)。在纯洁的***化铝镓中,每个原子与相邻的原子联结完好,没有多余的自由电子〔带负电荷的粒子〕来传导电流。而材料经掺杂后,掺入的原子打破了原有平衡,材料内或是产生了自由电子,或是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多,都会增加材料的导电性。具有多余电子的半导体称为N型材料,因其含有多余的带负电荷的粒子。在N型材料中,自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。拥有多余空穴的半导体称为P型材料,由于它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。电子可以在空穴间转移,从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。因此,空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成,且两端连有电极。这种构造只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不加电压时,N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动,去填充P型材料中的空穴,并形成一个耗尽区。在耗尽区内,半导体材料回到它原来的绝缘态——即全部的空穴都被填充,因而耗尽区内既没有自由电子,也没有供电子移动的空间,电荷则不能流淌。在PN结(junction)内,N型材料中的自由电子填充了P型材料中的空穴。这样,在二极管的中间就产生了一个绝缘层,称为耗尽区。为了使耗尽区消逝,必需使电子从N型区域移往P型区域,同时空穴沿相反的方向移动。为此,您可以将二极管N型的一端与电路的负极相连,同时P型的那一端与正极相连。N型材料中的自由电子被负极排斥,又被正极吸引;而P型材料中的空穴会沿反方向移动。假设两电极之间的电压足够高,耗尽区内的电子会被推出空穴,从而再次获得自由移动的力量。此时耗尽区消逝,电荷可以通过二极管。当电路的负极与N型层、正极与P型层相连时,电子和空穴开头迁移,而耗尽区将消逝。假设您试图让电流沿反方向流淌,将P型端连接到电路负极、N型端连接到正极的话,电流将不会流淌。N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上;P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动,PN结将不会有电流通过,耗尽区也会扩大。〔有关整个过程的更多信息,请参阅半导体工作原理。〕当电路的正极连接到N型层、负极连接到P型层时,自由电子会聚拢在二极管的一端,同时空穴会聚拢在另一端。耗尽区会扩大。在这种情形下,电子同空穴之间的相互作用会产生一个好玩的副作用——发光!在下一节,我们将探讨其来龙去脉。光是一种能量形式,可由原子释出。光由一些具有能量和动量但无质量的类粒子束组成。这些粒子称为光子,是光的最根本单位。电子的跃迁会释放出光子。在原子构造中,电子在原子核四周的轨道中运动。电子在不同的轨道中具有不同的能量值。通常,能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。为了让电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道,就必需提高它的能级。反过来,电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。这种能量就以光子的形式得到释放。能量差约大,释出的光子能量就越大,继而表现为更高的频率。〔有关具体说明,请查看光的原理。〕我们在上一节已经了解到,自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落,因而电子会以光子的形式释放出能量。这种状况在全部的二极管中都会发生,但只有当二极管由某些特定材料制成时,您才能看到光子。举例来说,一般硅二极管中的原子会以一种特定方式排列,在这种排列下,电子跌落的距离相对而言比较短,这导致产生的光子频率过低〔它们在光谱中处于红外线区域〕,不能为人眼所见。固然,这也不肯定就是坏事:红外线LED有很多用途,例如它是制造遥控器的抱负元件。可见光发光二极管(VLED),例如用来点亮电子钟表中的数字的发光二极管,其构成材料就以传导带与低轨道之间的间隙较大为特征。间隙的大小打算光子的频率——从而打算了光的颜色。尽管全部的二极管都能发光,但大多数发光效果并不好。在一般二极管内,大量的光能最终会被半导体材料自身吸取。LED因其独特的构造,可以向外释放大量的光子。另外,它们被安置在一个可以将光线会聚到某一特定方向的塑料灯泡里面。如以下图所示,二极管发出的大局部光线被灯泡侧壁反射回来,然后连续传播,直至它们穿过灯泡的圆形顶端。与传统白炽灯相比,LED有几点优势。首先,它们不含可烧尽的灯丝,因而寿命更长;另外,小型塑料灯泡使得它们更加耐用。还有,它们也易于装配到现代电路中去。而LED最主要的优势在于其高效性。传统的白炽灯泡在发光过程中会散发出大量热量〔由于灯丝需要加热〕。这些热能将是彻头彻尾的铺张,除非您把灯当作加热器使用,由于绝大部分的电能都没有产生可见光。相对来说,LED产生的热量甚微,电能中直接用来发光的百分比要高很多,这样可以大大降低用电需求。LED由先进的半导体材料制成,因而相对昂贵,时至今日仍不能应用于大多数照明设备中。然而过去十年间,半导体设备的价格已经大幅下降,这使得LED照明在各种应用场合都成为一种性价比更高的选择。尽管它们起初或许会比白炽灯更贵些,但更加低廉的长期本钱还是会让它们成为一笔划算的买卖。并且,它们还会在将来的科技世界中扮演更加重要的角色。Photo-Diode光电二极管和一般二极管一样,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。但是,在电路中不是用它作整流元件,而是通过它把光信号转换成电信号。那么,它是怎样把光信号转换成电信号的呢?大家知道,一般二极管在反向电压作用在处于截止状态,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,反向电流快速增大到几十微安,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。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10kΩ左右。在无光照状况下,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,阻值可到达几kΩ或1kΩ以下,则管子是好的;假设反向电阻都是∞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,—。[1]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),随着光照增加,其电流增加是好的,短路电流可达数十至数百μA。在实际工作中,有时需要区分是红外发光二极管,还是红外光电二极管(或者是光电三极管)。其方法是:假设管子都是透亮树脂封装,则可以从管芯安装外来区分。红外发光二极管管芯下有一个浅盘,而光电二极管和光电三极管则没有;假设管子尺寸过小或黑色树脂封装的,则可用万用表(置1k挡)来测量电阻。用手捏住管子(不让管子受光照),正向电阻为20-40kΩ,而反向电阻大于200kΩ的是红外发光二极管;正反向电阻都接近∞的是光电三极管;正向电阻在10k左右,反向电阻接近∞的是光电二极管。