第1章 LED基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種利用固體半導(dǎo)體作為發(fā)光材料的發(fā)光器件，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于狀態(tài)指示、照明、平板顯示等場(chǎng)合。LED的基本結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣是PN結(jié)，所以也有陽(yáng)極（Anode，A）與陰極（Kathode/cathode，K）以及單向?qū)ǖ奶匦裕鄳?yīng)的原理圖符號(hào)如圖1.1所示。

當(dāng)在LED兩端施加正向偏置電壓后，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)空穴與電子的復(fù)合就會(huì)伴隨著光的輻射（產(chǎn)生光子），也稱為電場(chǎng)發(fā)光或電致發(fā)光（Electroluminescent，EL）。

為了方便理解LED的發(fā)光原理，先來回顧一下電子與空穴的形成機(jī)理。最廣泛用于制作半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料是一種純度非常高的硅半導(dǎo)體，也被稱為本征半導(dǎo)體（Extrinsic Semiconductor），它的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。

從圖中可以看到，硅原子的價(jià)電子數(shù)（最外層電子數(shù)）為4，每個(gè)硅原子都與附近四個(gè)硅原子共用一個(gè)價(jià)電子形成為最外層電子數(shù)為8的結(jié)構(gòu)。我們把原子之間共用價(jià)電子的結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)鍵（Covalent Bond）。由于共價(jià)鍵中的兩個(gè)價(jià)電子屬于兩個(gè)相鄰硅原子共同擁有，它們被束縛在兩個(gè)原子核附近，所以也稱其為束縛電子。當(dāng)環(huán)境溫度為-273.15℃（絕對(duì)溫度T=0K）時(shí)，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，所以它的導(dǎo)電性能與絕緣體一樣。

但是硅原子的這種共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)并不是很穩(wěn)定。在室溫（T=300K）下，本征半導(dǎo)體一旦受到熱能（或光照、電場(chǎng)等因素）的影響，束縛電子能夠從原子的熱運(yùn)動(dòng)當(dāng)中獲得能量，繼而擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子（簡(jiǎn)單地說，就是束縛電子獲得能量后跳出共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)），我們稱這種現(xiàn)象為本征激發(fā)，如圖1.3所示。

產(chǎn)生本征激發(fā)后的半導(dǎo)體材料中存在自由電子，所以它的導(dǎo)電能力增強(qiáng)了（電阻率下降）。一般環(huán)境溫度越高，激發(fā)出來的自由電子也會(huì)越多，本征半導(dǎo)體的電阻率就會(huì)越小。同時(shí)我們也可以看到，當(dāng)束縛電子跳出共價(jià)鍵成為自由電子之后，在原來的位置就留下了一個(gè)空位，我們稱為空穴（Hole）。自由電子可以在硅晶格結(jié)構(gòu)中隨意遷移，而在遷移過程中，一些電子可能會(huì)填充一些空穴，我們稱該過程為復(fù)合（Recombination），其結(jié)果將導(dǎo)致自由電子與空穴消失。當(dāng)然，束縛電子也可能會(huì)再次被激發(fā)出來。

價(jià)電子所處的空間稱為價(jià)帶（Valence Band），使用符號(hào)E_v表示價(jià)帶中電子的最大能量，把自由電子所處的空間稱為導(dǎo)帶（Conduction Band），使用符號(hào)E_c表示導(dǎo)帶中電子的最小能量，而把處于價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域稱為禁帶（Forbidden Band），這個(gè)區(qū)域是不存在電子的，那么本征激發(fā)就是價(jià)電子從價(jià)帶躍過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶的過程，而價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵束縛需要獲得的最小能量稱為帶隙能量（Bandgap Energy），也就是E_v與E_c的差值，使用符號(hào)E_g來表示，如圖1.4所示。

生活中的臺(tái)階跳躍行為可以類比區(qū)分這三種能帶。低臺(tái)階的勢(shì)能相當(dāng)于價(jià)帶，高臺(tái)階的勢(shì)能相當(dāng)于導(dǎo)帶，從低臺(tái)階跳到高臺(tái)階必然需要一個(gè)最小的跳躍力，它就相當(dāng)于帶隙能量，而從跳躍的開始到結(jié)束的那段空間相當(dāng)于禁帶，跳躍過程中人體是不會(huì)靜止的，也就相當(dāng)于禁帶不存在電子。

很明顯，本征半導(dǎo)體中的電子與空穴總是成雙成對(duì)的（數(shù)量相等），但通過摻雜（Doping）工藝可以控制它們的數(shù)量。我們把摻雜后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體（Doped Semi-conductor），可以分為P型與N型兩大類，具體可參考系列圖書《三極管應(yīng)用分析精粹》，現(xiàn)階段只需要知道：P型半導(dǎo)體的空穴數(shù)量比電子多，N型半導(dǎo)體恰好相反。普通二極管就是由這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體合并而成的，我們將合并后的兩部分分別簡(jiǎn)稱為P區(qū)與N區(qū)，而把從P區(qū)引出的電極稱為陽(yáng)極，從N區(qū)引出的電極稱為陰極。

前面提過，LED的發(fā)光原理是電子與空穴復(fù)合而產(chǎn)生的光輻射，而復(fù)合的過程就是電子從導(dǎo)帶躍過禁帶到達(dá)價(jià)帶。換句話說，電子從能量高的能帶跳躍到了能量低的能帶，根據(jù)能量守恒定律，多余的能量就會(huì)釋放出來（例如以熱或光輻射的形式），如圖1.5所示。

圖1.5中V_F與I_F分別表示（通過限流電阻給LED施加正向偏置電壓后）LED的正向?qū)妷海‵orward Voltage）與流過LED的正向電流（Forward Current）。

當(dāng)然，并不是所有半導(dǎo)體材料的電子與空穴復(fù)合都會(huì)以光輻射的形式體現(xiàn)，熱輻射的形式會(huì)使器件的溫度升高，這并不是我們希望看到的，研究高效能LED的主要工作就是增強(qiáng)（可見）光輻射的同時(shí)削弱熱輻射。為此LED通常由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制造而成。我們把產(chǎn)生光輻射的半導(dǎo)體稱為L(zhǎng)ED晶片（Chip），它的具體結(jié)構(gòu)有幾種，其中之一如圖1.6所示。

在制作LED晶片時(shí)，首先在襯底生長(zhǎng)出氮化鎵（GaN）基的外延層，可作為襯底的材料也有很多，例如藍(lán)寶石（Al₂O₃）、硅（Si）、碳化硅（SiC）、砷化鎵（GaAs）等。氮化鎵是與硅等同概念的半導(dǎo)體材料，通過摻雜即可制作出N型與P型GaN，圖1.6中的發(fā)光層指的就是P區(qū)與N區(qū)交界處形成的PN結(jié)。P區(qū)上的透明導(dǎo)電層（Transparent Contact Layer）能夠使電流進(jìn)一步擴(kuò)散，以達(dá)到均勻發(fā)光的目的，因?yàn)殡姌O直接做在P區(qū)會(huì)使電流集中，而金屬電極是不透光的。

將LED晶片放置在帶有發(fā)射碗的陰極桿上，再通過引線與帶楔形支架的陽(yáng)極桿連接，然后用環(huán)氧樹脂密封后就形成了我們見到的插件LED，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。

制作發(fā)光層的半導(dǎo)體材料不同，電子與空穴所處的能量狀態(tài)也會(huì)有所差別。電子與空穴之間的帶隙能量越大，它們復(fù)合時(shí)釋放出的能量越多，發(fā)出光的波長(zhǎng)越短，而光的波長(zhǎng)與顏色又是對(duì)應(yīng)的（簡(jiǎn)單地說，發(fā)光的顏色是由制作LED的半導(dǎo)體材料決定的）。人的肉眼可以感知的光波長(zhǎng)在380～750nm（納米）之間，在此范圍內(nèi)，紅光攜帶的能量最少（波長(zhǎng)最長(zhǎng)），藍(lán)光攜帶的能量最多（波長(zhǎng)最短）。

常見的LED發(fā)光顏色、波長(zhǎng)及相應(yīng)的半導(dǎo)體材料見表1.1。

例如，普通3mm紅色插件發(fā)光二極管可能就是基于砷化鎵工藝。需要特別注意：白光是由紅、綠、藍(lán)三種顏色按比例混合的效果，當(dāng)紅、綠、藍(lán)的亮度分別占比為21%、69%、10%時(shí)，人的肉眼感覺到的便是純白色，后續(xù)我們還會(huì)進(jìn)一步討論。

LED發(fā)出的光的波長(zhǎng)都會(huì)有一定范圍，數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)標(biāo)注主波長(zhǎng)λ_d（Dominant Wavelength）、峰值波長(zhǎng)λ_p（Peak Wavelength），以及光譜半寬度Δλ（Spectral Line Half Width）等參數(shù)。主波長(zhǎng)決定了發(fā)光的顏色，光譜半寬度則反映LED晶片發(fā)出的光的純度（也就是飽和度，例如，紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫在視覺上是高飽和度的顏色，它們是沒有混入白色的窄帶單色，加入白色越多會(huì)導(dǎo)致混合后的顏色純度越低），它是指1/2峰值發(fā)光強(qiáng)度（Luminous Intensity，簡(jiǎn)稱光強(qiáng)）對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的差。某LED的光譜分布曲線如圖1.8所示。

光強(qiáng)的單位是坎德拉（candela，cd），簡(jiǎn)稱“坎”，常用單位是毫坎（mcd，1cd=1000mcd）。圖1.8中的縱軸為相對(duì)光強(qiáng)，它把峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)（也就是最大發(fā)光強(qiáng)度）定義為1。隨著光的波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)的差值越大，相對(duì)光強(qiáng)也就越小。

LED發(fā)出的光通常具有一定的方向性，所以從不同角度測(cè)量得到的光強(qiáng)也不盡相同，我們可以使用LED光強(qiáng)空間分布圖來描述，如圖1.9所示。

圖1.9中位于光源法線（中垂線）方向?qū)?yīng)的相對(duì)光強(qiáng)仍被定義為1，與法線之間的夾角越大，相對(duì)光強(qiáng)會(huì)越小。數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)注的半強(qiáng)角度（Angle of Half Intensity）φ是指光源以法線為中心往四周張開時(shí)，相對(duì)光強(qiáng)下降到0.5時(shí)的方向與法線之間的夾角（圖1.9所示半強(qiáng)角度為±40°）。另外，還把半強(qiáng)角度的2倍稱為視角或半功率角。當(dāng)然，即使是同一個(gè)批次的晶片，制造出來的LED光強(qiáng)也會(huì)有所不同，通常廠家會(huì)按光強(qiáng)進(jìn)行的等級(jí)分類。

接下來重點(diǎn)關(guān)注LED的實(shí)際應(yīng)用電路。LED作為直流電壓的狀態(tài)指示應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，只需要與LED串聯(lián)一個(gè)限流電阻即可，如圖1.10所示。

在直流電源V_CC已知的情況下，限流電阻R₁的大小可由式（1.1）計(jì)算

LED的光強(qiáng)與流過其中的電流大小直接相關(guān)，從這個(gè)角度來講，LED是電流驅(qū)動(dòng)型器件。流過某LED的正向電流與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖1.11所示。

限流電阻過小將導(dǎo)致流過LED的電流過大，從而影響LED的壽命甚至造成損壞，限流電阻過大則可能導(dǎo)致LED光強(qiáng)達(dá)不到要求。那限流電阻應(yīng)該設(shè)置多大才合適呢？來看某款插件LED的數(shù)據(jù)手冊(cè)，如圖1.12所示。

最大額定值（Absolute Maximum Ratings）中有一項(xiàng)直流正向電流I_F，其值為50mA，而在“光電特性（Optical and Electrical Characteristics）”參數(shù)中可以看到V_F典型值為2V（比普通二極管要大很多）。也就是說，對(duì)于圖1.10所示電路，如果V_CC=5V，則限流電阻不應(yīng)該小于（5V-2V）/50mA=60Ω。當(dāng)然，在長(zhǎng)時(shí)間正常工作時(shí)，流過LED的電流不應(yīng)該設(shè)置為最大值，實(shí)際使用時(shí)不要超過其數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)注的測(cè)試電流值（圖1.12所示為20mA）即可，以免電流波動(dòng)超過測(cè)試值，對(duì)LED的工作效率與壽命產(chǎn)生影響。假設(shè)工作電流為15mA，則相應(yīng)的限流電阻應(yīng)為（5V-2V）/15mA=200Ω。

LED用作交流電源指示時(shí)，還需要考慮最大反向擊穿電壓。我們前面已經(jīng)提過，LED發(fā)光原理是電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生的能量以光輻射的形式表現(xiàn)出來，也就是說，參與復(fù)合的載流子越多，相應(yīng)的光強(qiáng)就會(huì)越大。為了使LED能夠發(fā)出更強(qiáng)的光，制作LED的兩塊半導(dǎo)體通常都是高摻雜的，而高摻雜的PN結(jié)容易出現(xiàn)齊納擊穿，所以大多數(shù)（不是所有）LED的反向擊穿電壓一般不高于7V，具體可參考系列圖書《三極管應(yīng)用分析精粹》，此處不再贅述。

從圖1.12所示數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看到，該款LED的反向電壓最大額定值為5V，所以在交流輸入電壓幅值大于5V的場(chǎng)合，必須增加相應(yīng)的保護(hù)電路。典型應(yīng)用電路如圖1.13所示。

圖1.13中增加了一個(gè)二極管VD₂與LED反向并聯(lián)，它可以是一個(gè)普通的整流二極管，或者本身也是一個(gè)LED，這樣反向并聯(lián)的兩個(gè)二極管兩端的電壓降總是能夠被限制得很低。

如果使用單片機(jī)（Micro Controller Unit，MCU）之類的處理器來控制LED，為了避免消耗的電流過大（尤其需要控制的LED數(shù)量很多時(shí)）而產(chǎn)生熱穩(wěn)定性問題，通常會(huì)使用三極管[1]間接驅(qū)動(dòng)LED，這樣（直接驅(qū)動(dòng)三極管基極的）單片機(jī)引腳的工作電流可以低至微安級(jí)別，其典型電路如圖1.14所示。

前面討論的都是使用電壓源驅(qū)動(dòng)的小功率LED，但是在照明應(yīng)用的中大功率LED驅(qū)動(dòng)電路中，恒流源驅(qū)動(dòng)方式更為常用。在電壓源驅(qū)動(dòng)方案中，雖然我們能夠使用限流電阻與LED串聯(lián)來設(shè)置所需要的電流，但是LED開始工作后內(nèi)部溫度會(huì)逐漸上升。大功率白光LED燈珠的正向驅(qū)動(dòng)電流會(huì)達(dá)到數(shù)百毫安，消耗的功率會(huì)超過1W（根據(jù)P_D=V_F×I_F），所以通常會(huì)使用鋁基板（而不是普通FR4基材的PCB）與散熱器配合散熱，而PN結(jié)的正向?qū)妷航稻哂胸?fù)溫度系數(shù)的特性（即溫度越高，正向?qū)妷航狄矔?huì)越小），這樣流過LED的工作電流會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致溫度升高后又反過來促使PN導(dǎo)通電壓降的減小，如此惡性循環(huán)的結(jié)果將促使工作電流過大而導(dǎo)致LED光強(qiáng)比原來要小，而光強(qiáng)減小的這一部分就是我們所說的“LED光衰”。

恒流驅(qū)動(dòng)方案克服了電壓源驅(qū)動(dòng)方案的缺點(diǎn)，它也是中大功率照明應(yīng)用LED的主流驅(qū)動(dòng)方式。最簡(jiǎn)單的恒流源驅(qū)動(dòng)電路如圖1.15所示。

很明顯，流過LED的電流與其正向?qū)妷航禑o關(guān)，僅與三極管的基極電位及限流電阻R₁有關(guān)，可通過式（1.2）計(jì)算（假設(shè)單片機(jī)引腳輸出的高電平為V_CC）

當(dāng)然，也可以使用專用芯片進(jìn)行LED恒流驅(qū)動(dòng)，這一點(diǎn)會(huì)在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)討論。

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[1]即雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT），三極管為俗稱，后文同。