LED光源的应用探索

2013-08-20 04:57田国栋

电子设计工程 2013年18期

田国栋

（西安铁路职业技术学院电子信息系，陕西西安 710014）

LED是英文Light Emitting Diode的简称，中文名称叫发光二极管。具有发光效率高、使用寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短[1]。发光二极管可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管和红外发光二极管。

对于LED的光谱特性主要看它的单色性是否优良，而且要特别注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。目前LED应用范围非常广泛，在可见光范围人们比较常见，在红外光区域的应用只有专业人士了解。

1 LED光源在可见光范围的应用

1.1 LED光源的光波长与半导体材料

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关造而发光的波长又取决于发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700 nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650 nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585 nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570 nm[2]。常用的国产普通单色发光二极管有BT系列、FG系列和2EF系列。高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

1.2 LED光源的主要特点

1）LED使用低压电源，供电电压在6~24 V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2）消耗能量较同光效的白炽灯至少减少80%。

3）体积很小，每个单元LED小片是3~5 mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4）使用10万小时，光源衰减为初始值的50%。

5）白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

6）LED的价格非常便宜，越来越平民化[3]。

1.3 LED的主要应用

1）显示屏、交通信号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高。

2）汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

3）LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件[4]。

4）情景照明：是以环境的需求来设计LED灯具。情景照明以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，去烘托场景效果，使人感觉到有场景氛围。

5）情调照明：是以人的需求来设计LED灯具。情调照明是以人情感为出发点，从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明包含环保节能，健康，智能化，人性化四个方面。

1.4 LED光源检测

1）用万用表检测。利用具有×10 kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200 kΩ，反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实质地看到发光管的发光情况，因为×10 kΩ挡不能向LED提供较大正向电流[5]。

如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。两块万用表均置×10 kΩ挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1 mΩ若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1 mΩ，以免电流过大，损坏发光二极管。

2）外接电源测量。用3 V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。如果测得VF在1.4～3 V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3 V，且不发光，说明发光管已坏[6]。

2 LED光源在红外光区域的应用

2.1 光纤通信系统对LED光源的基本要求

LED光源在红外光区域的应用主要体现在红外成像、遥感、遥测以及光纤通信方面，在光纤通信系统中LED光源主要使用3个波长：850 nm、1 310 nm和1 550 nm。其中850 nm称为短波长，1 310 nm和1 550 nm称为长波长。光纤通信系统对LED光源的基本要求是：

1）LED光源的发光波长必须和光纤的低损耗波长一致。

2）LED光源的输出功率必须足够大，入纤功率为数十μW到数mW才能满足一定通信距离的需要。

3）LED光源应具有高度的可靠性，其寿命要在105h以上。否则会因频繁更换器件而降低系统的可靠性。

4）LED光源的谱线宽度要窄，这有利于减少光纤的材料色散，增大系统的传输容量。

5）LED光电转换效率要高，否则会因效率太低而导致器件发热严重，不仅增加损耗，还会缩短光源的寿命。

6）LED光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。

7）LED光源应体积小，重量轻，便于安装和使用[7]。

2.2 光纤通信系统使用的两种结构LED光源

光纤通信专用LED光源的特点是高亮度、高响应速度，寿命长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系好，价格也比较便宜。缺点是发射的不是激光，所以输出功率较小，发射角较大，与光纤耦合效率较低。因此LED光源只能作为中短距离、中小容量的光纤通信系统的理想光源。

为了提高发光功率和效率，发光二极管在有源区附近应用了异质结构，以限制载流子和光波。发光二极管有面发光二极管和边发光二极管两种。见图1（a），（b）。面发光二极管的发射光束垂直于P-N结，光束发散角很大，相当一部分光不能进入光纤而损失掉，因而面发光二极管与光纤的耦合效率很低。边发光二极管的发射光束平行于P-N结，发光面一般小于光纤的横截面，提高了与光纤的耦合效率。面发光二极管的发光效率比边发光二极管的大，但边发光二极管发光面窄，光功率集中，实际进入光纤的功率并不小。由于边发光二极管与单模光纤耦合性较好，使用较为广泛[8]。

2.3 光纤通信系统使用的三种波长LED光源

2.3.1 短波长发光二极管（GaAlAs-LED）

它适用于中、短距离的光纤计算机信号传输系统、光信息处理和光信号控制等场合。其优点在于使用方便、寿命长和成本低。表1短波长LED的技术参数，其中出纤功率系指由LED耦合到多模光纤中的功率。由于短波长LED主要用于短距离、小容量光纤通信系统，一般只考虑多模尾纤[9]。

2.3.2 长波长发光二极管（InGaAsP-LED）

它适用于长波长中、短距离光纤通信。优点是成本也较低、使用方便、寿命长。表2和表3分别为1 310 nm波长面发光和边发光LED的主要参数以及1 550 nm波长的边发光LED的技术参数[10]。

半导体发光二极管价格较低廉，使用方便，已出现出纤功率达20 μW（单模尾纤）的产品，特别受到使用者欢迎。

计算机数据线路和局域网的发展对半导体发光二极管提出了新的要求。我们知道，局域网的通信特点是通信距离短，但传输容量大，如果使用半导体激光器，一方面是价格贵、使用不方便，另一方面半导体激光器入纤功率也超过了短距离的需要[11]。因此研究开发能工作于数百Mb/s至数Gb/s速率的半导体发光二极管和相应的驱动电路，对短距离电话用户环路和局域网数据光纤系统带来极大的方便性和经济性，特别是对即将到来的宽带综合业务数字网（ISDN）则具有更大的吸引力。因为ISDN需要大量的低成本高可靠性和高速调制的光源，半导体发光二极管是理想的候选者[12]。