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(dǎo)體制成的，其核心是pn結(jié)。因此它具有一般p-n結(jié)的i-n特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，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(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。
假設(shè)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(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近pn結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)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(dǎo)體材料禁帶寬度eg有關(guān)，即
λ≈1240/eg(mm)
式中eg的單位為電子伏特(ev)。若能產(chǎn)生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導(dǎo)體材料的eg應(yīng)在3.26～1.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(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。
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(yīng)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(yīng)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(guān)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ir100mcd);把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。
一般led的工作電流在十幾ma至幾十ma，而低電流led的工作電流在2ma以下(亮度與普通發(fā)光管相同)。
除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。
led的應(yīng)用
由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應(yīng)根據(jù)實際需要進行恰當選擇。
由于發(fā)光二極管具有最大正向電流ifm、最大反向電壓vrm的限制，使用時，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實際電流if應(yīng)在0.6ifm以下;應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓vr
(2)圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。
圖(a)中的電阻≈(e-vf)/if;
圖(b)中的r≈(1.4vi-vf)/if;
圖(c)中的r≈vi/if
式中，vi——交流電壓有效值。
(3)單led電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用led表示輸出信號是否正常，如圖7所示。r為限流電阻。只有當輸出電壓大于led的閾值電壓時，led才可能發(fā)光。
(4)單led可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于led正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？?，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3v間，應(yīng)根據(jù)需要進行選擇vf，如圖8所示。
(5)電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用led電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號電平的，即發(fā)光的led數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先led1亮，再增大led2亮……。