LED光源的應(yīng)用探索

田國(guó)棟

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，陜西 西安 710014）

LED是英文Light Emitting Diode的簡(jiǎn)稱，中文名稱叫發(fā)光二極管。具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、不易破損、開(kāi)關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短[1]。發(fā)光二極管可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管和紅外發(fā)光二極管。

對(duì)于LED的光譜特性主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要特別注意到紅、黃、藍(lán)、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。目前LED應(yīng)用范圍非常廣泛，在可見(jiàn)光范圍人們比較常見(jiàn)，在紅外光區(qū)域的應(yīng)用只有專業(yè)人士了解。

1 LED光源在可見(jiàn)光范圍的應(yīng)用

1.1 LED光源的光波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料

普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長(zhǎng)有關(guān)造而發(fā)光的波長(zhǎng)又取決于發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。紅色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為650~700 nm，琥珀色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為630~650 nm，橙色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為610~630 nm左右，黃色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為585 nm左右，綠色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為555~570 nm[2]。常用的國(guó)產(chǎn)普通單色發(fā)光二極管有BT系列、FG系列和2EF系列。高亮度單色發(fā)光二極管使用砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，超高亮度單色發(fā)光二極管使用磷銦砷化鎵（GaAsInP）等材料，而普通單色發(fā)光二極管使用磷化鎵（GaP）或磷砷化鎵（GaAsP）等材料。由鎵（Ga）與砷（As）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。

1.2 LED光源的主要特點(diǎn)

1）LED使用低壓電源，供電電壓在6~24 V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。

2）消耗能量較同光效的白熾燈至少減少80%。

3）體積很小，每個(gè)單元LED小片是3~5 mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。

4）使用10萬(wàn)小時(shí)，光源衰減為初始值的50%。

5）白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。

6）LED的價(jià)格非常便宜，越來(lái)越平民化[3]。

1.3 LED的主要應(yīng)用

1）顯示屏、交通信號(hào)顯示光源的應(yīng)用LED燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，分為全色、雙色和單色顯示屏。交通信號(hào)燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED，因?yàn)椴捎肔ED信號(hào)燈既節(jié)能，可靠性又高。

2）汽車工業(yè)上的應(yīng)用汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開(kāi)關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。

3）LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源最為引人注目，LED作為L(zhǎng)CD背光源應(yīng)用，具有壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、無(wú)干擾和性價(jià)比高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電子手表、手機(jī)、電子計(jì)算器和刷卡機(jī)上，隨著便攜電子產(chǎn)品日趨小型化，LED背光源更具優(yōu)勢(shì)，因此背光源制作技術(shù)將向更薄型、低功耗和均勻一致方面發(fā)展。LED是手機(jī)關(guān)鍵器件，一部普通手機(jī)或小靈通約需使用10只LED器件，而一部彩屏和帶有照相功能的手機(jī)則需要使用約20只LED器件[4]。

4）情景照明：是以環(huán)境的需求來(lái)設(shè)計(jì)LED燈具。情景照明以場(chǎng)所為出發(fā)點(diǎn)，旨在營(yíng)造一種漂亮、絢麗的光照環(huán)境，去烘托場(chǎng)景效果，使人感覺(jué)到有場(chǎng)景氛圍。

5）情調(diào)照明：是以人的需求來(lái)設(shè)計(jì)LED燈具。情調(diào)照明是以人情感為出發(fā)點(diǎn)，從人的角度去創(chuàng)造一種意境般的光照環(huán)境。情調(diào)照明包含環(huán)保節(jié)能，健康，智能化，人性化四個(gè)方面。

1.4 LED光源檢測(cè)

1）用萬(wàn)用表檢測(cè)。利用具有×10 kΩ擋的指針式萬(wàn)用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻值為幾十至200 kΩ，反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或?yàn)椤蓿聪螂娮柚岛苄』驗(yàn)?，則易損壞。這種檢測(cè)方法，不能實(shí)質(zhì)地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因?yàn)椤?0 kΩ擋不能向LED提供較大正向電流[5]。

如果有兩塊指針萬(wàn)用表（最好同型號(hào)）可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬(wàn)用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測(cè)發(fā)光管的正極（P區(qū)），余下的“+”筆接被測(cè)發(fā)光管的負(fù)極（N區(qū)）。兩塊萬(wàn)用表均置×10 kΩ擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬(wàn)用表均撥至×1 mΩ若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說(shuō)明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意，不能一開(kāi)始測(cè)量就將兩塊萬(wàn)用表置于×1 mΩ，以免電流過(guò)大，損壞發(fā)光二極管。

2）外接電源測(cè)量。用3 V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬(wàn)用表（指針式或數(shù)字式皆可）可以較準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)光二極管的光、電特性。如果測(cè)得VF在1.4～3 V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說(shuō)明發(fā)光正常。如果測(cè)得VF=0或VF≈3 V，且不發(fā)光，說(shuō)明發(fā)光管已壞[6]。

2 LED光源在紅外光區(qū)域的應(yīng)用

2.1 光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED光源的基本要求

LED光源在紅外光區(qū)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在紅外成像、遙感、遙測(cè)以及光纖通信方面，在光纖通信系統(tǒng)中LED光源主要使用3個(gè)波長(zhǎng)：850 nm、1 310 nm和1 550 nm。其中850 nm稱為短波長(zhǎng)，1 310 nm和1 550 nm稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)。光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED光源的基本要求是：

1）LED光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須和光纖的低損耗波長(zhǎng)一致。

2）LED光源的輸出功率必須足夠大，入纖功率為數(shù)十μW到數(shù)mW才能滿足一定通信距離的需要。

3）LED光源應(yīng)具有高度的可靠性，其壽命要在105h以上。否則會(huì)因頻繁更換器件而降低系統(tǒng)的可靠性。

4）LED光源的譜線寬度要窄，這有利于減少光纖的材料色散，增大系統(tǒng)的傳輸容量。

5）LED光電轉(zhuǎn)換效率要高，否則會(huì)因效率太低而導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重，不僅增加損耗，還會(huì)縮短光源的壽命。

6）LED光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。

7）LED光源應(yīng)體積小，重量輕，便于安裝和使用[7]。

2.2 光纖通信系統(tǒng)使用的兩種結(jié)構(gòu)LED光源

光纖通信專用LED光源的特點(diǎn)是高亮度、高響應(yīng)速度，壽命長(zhǎng)，受溫度影響較小，輸出光功率與注入電流的線性關(guān)系好，價(jià)格也比較便宜。缺點(diǎn)是發(fā)射的不是激光，所以輸出功率較小，發(fā)射角較大，與光纖耦合效率較低。因此LED光源只能作為中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)的理想光源。

為了提高發(fā)光功率和效率，發(fā)光二極管在有源區(qū)附近應(yīng)用了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以限制載流子和光波。發(fā)光二極管有面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩種。見(jiàn)圖1（a），（b）。面發(fā)光二極管的發(fā)射光束垂直于P-N結(jié)，光束發(fā)散角很大，相當(dāng)一部分光不能進(jìn)入光纖而損失掉，因而面發(fā)光二極管與光纖的耦合效率很低。邊發(fā)光二極管的發(fā)射光束平行于P-N結(jié)，發(fā)光面一般小于光纖的橫截面，提高了與光纖的耦合效率。面發(fā)光二極管的發(fā)光效率比邊發(fā)光二極管的大，但邊發(fā)光二極管發(fā)光面窄，光功率集中，實(shí)際進(jìn)入光纖的功率并不小。由于邊發(fā)光二極管與單模光纖耦合性較好，使用較為廣泛[8]。

2.3 光纖通信系統(tǒng)使用的三種波長(zhǎng)LED光源

2.3.1 短波長(zhǎng)發(fā)光二極管（GaAlAs-LED）

它適用于中、短距離的光纖計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸系統(tǒng)、光信息處理和光信號(hào)控制等場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)在于使用方便、壽命長(zhǎng)和成本低。表1短波長(zhǎng)LED的技術(shù)參數(shù)，其中出纖功率系指由LED耦合到多模光纖中的功率。由于短波長(zhǎng)LED主要用于短距離、小容量光纖通信系統(tǒng)，一般只考慮多模尾纖[9]。

2.3.2 長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光二極管（InGaAsP-LED）

它適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)中、短距離光纖通信。優(yōu)點(diǎn)是成本也較低、使用方便、壽命長(zhǎng)。表2和表3分別為1 310 nm波長(zhǎng)面發(fā)光和邊發(fā)光LED的主要參數(shù)以及1 550 nm波長(zhǎng)的邊發(fā)光LED的技術(shù)參數(shù)[10]。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管價(jià)格較低廉，使用方便，已出現(xiàn)出纖功率達(dá)20 μW（單模尾纖）的產(chǎn)品，特別受到使用者歡迎。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線路和局域網(wǎng)的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管提出了新的要求。我們知道，局域網(wǎng)的通信特點(diǎn)是通信距離短，但傳輸容量大，如果使用半導(dǎo)體激光器，一方面是價(jià)格貴、使用不方便，另一方面半導(dǎo)體激光器入纖功率也超過(guò)了短距離的需要[11]。因此研究開(kāi)發(fā)能工作于數(shù)百M(fèi)b/s至數(shù)Gb/s速率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)短距離電話用戶環(huán)路和局域網(wǎng)數(shù)據(jù)光纖系統(tǒng)帶來(lái)極大的方便性和經(jīng)濟(jì)性，特別是對(duì)即將到來(lái)的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）則具有更大的吸引力。因?yàn)镮SDN需要大量的低成本高可靠性和高速調(diào)制的光源，半導(dǎo)體發(fā)光二極管是理想的候選者[12]。

圖1 兩種發(fā)光二極管Fig.1 Two light-emitting diodes

表1 850 nm波長(zhǎng)LED的技術(shù)參數(shù)Tab.1 850 nm wavelength LED technical parameters

表2 1 310 nm波長(zhǎng)LED技術(shù)參數(shù)Tab.2 1 310 nm wavelength LED technical parameters

表3 1 550 nm波長(zhǎng)LED技術(shù)參數(shù)Tab.3 1 550 nm wavelength LED technical parameters

3 結(jié)束語(yǔ)

LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，目前在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛。

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