半導體發(fā)光器件包括半導體發(fā)光二極管(簡稱LED)、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏(簡稱矩陣管)等。事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。

一、半導體發(fā)光二極管工作原理、特性及應用

(一)LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向そ刂埂⒒鞔┨匭?。此外Ｔ谝欢l件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復合而發(fā)光，如圖1所示。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)μm以內產生。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

(二)LED的特性

1.極限參數(shù)的意義

(1)允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。

(2)最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

(3)最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

(4)工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

2.電參數(shù)的意義

(1)光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。

(2)發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線(對圓柱形發(fā)光管是指其軸線)方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時，則發(fā)光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。

(3)光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔.

(4)半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向(法向)的夾角。半值角的2倍為視角(或稱半功率角)。

圖3給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線(法線)AO的坐標為相對發(fā)光強度(即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比)。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。

(5)正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。

(6)正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。

(7)V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR10μA以下。

(三)LED的分類

1.按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

2.按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的し⒐舛極管記作T-1;把φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

(1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

(2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

(3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

3.按發(fā)光二極管的結構分

按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。