紅外線發(fā)射二極管原理

紅外線發(fā)光二極管資料

發(fā)光元件的種類很多，依光譜大致可分為紅外線發(fā)光元件及可見光的發(fā)光元
件。在本實(shí)習(xí)中，所要介紹的紅外線發(fā)光元件，是以砷化鎵(GaAs)的紅外線發(fā)光二
極管（也稱紅外線發(fā)射二極管）為主體，分別敘述其基本特性及應(yīng)用電路。
(一)、基本特性
1.電流—電壓特性
紅外線發(fā)光二極管其電氣的電路符號(hào)及特性曲線，如圖1所示。陽(yáng)極（P極）電
壓加正，陰極（N極）電壓加負(fù)，此時(shí)二極管所加之電壓為正向電壓，同時(shí)亦產(chǎn)生
正向電流，提供了紅外線發(fā)光二極管發(fā)射出光束的能量，其發(fā)光的條件與一般的發(fā)
光二極管(LED)一樣，只是紅外線為不可見光。一般而言砷化鎵的紅外線發(fā)光二極
體約須1V，而鎵質(zhì)的紅色發(fā)光二極管切入電壓約須1.8V；綠色發(fā)光二極管切入電壓
約須2.0V左右。當(dāng)加入之電壓超過切入電壓之后，電流便急速上升，而周圍溫度對(duì)
二極管的切入電壓影響亦很大，當(dāng)溫度較高時(shí)，將使其切入電壓數(shù)值降低，反之，
切入電壓降低。
紅外線發(fā)光二極管工作在反向電壓時(shí)，只有微小的漏電流，但反向電壓超過崩
潰電壓時(shí)，便立即產(chǎn)生大量的電流，將使元件燒毀，一般紅外線二極管反向耐壓之
值約為3~6V，在使用時(shí)盡量避免有此一情形發(fā)生。

2.損失
紅外線發(fā)光二極管的熱損失，是因元件所外加的電壓VF，產(chǎn)生的電流IF累積而
來(lái)的，除了一小部份能量做為光的發(fā)射外，大部份形成熱能而散發(fā)，所散發(fā)的熱能
即所謂的損失。
元件的功率損耗，在最大值的60％以下范圍內(nèi)，元件使用上會(huì)很安全，功率的
損其最大值與周圍溫度亦有關(guān)系。

(二)、發(fā)射束電流特性
一般可見光的發(fā)光二極管其輸出光的強(qiáng)度是以光度表示之，而不可見光如紅外
線發(fā)光二極管其輸出光的能量大小，是以發(fā)射束Fe表示，其單位為瓦特。發(fā)射束的
意義是單位時(shí)間內(nèi)，所能發(fā)射、搬移光的能量的多寡。
紅外線發(fā)光二極管的發(fā)射束大體上也是隨電流比例而定，如圖2所示，為發(fā)射束
與正向電流的特性曲線。同時(shí)，發(fā)射束亦受周圍溫度影響，溫度下降時(shí)，發(fā)射束反
而增強(qiáng)；溫度上升時(shí)，則下降（正向電流一般都有一固定值），然而因熱損失之故，
元件上的溫度便形增加，如此發(fā)光效率就會(huì)受到影響而降低。

3.發(fā)光頻譜：
發(fā)光二極管所發(fā)射的光波長(zhǎng)，常因其所用的材料而異。圖6所表示是各種發(fā)光
二極管的發(fā)光頻譜。砷化鎵的紅外線發(fā)光二極管，其峰值發(fā)光波長(zhǎng)為940~950 nm，
而人不能看到的光波長(zhǎng)，大概就在900 nm以上，這也就是紅外線的光我們?nèi)搜鬯?
不能看到的原因。圖中虛線部分，是Si質(zhì)光電晶體的相對(duì)分光感度，光電晶體的
感光范圍很大，其范圍由500nm到1100nm，而其感光峰值約在800nm左右，所以
光電晶體除了平常用來(lái)做可見光線偵測(cè)外，也常用來(lái)做紅外線接收器。但使用光電
晶體當(dāng)紅外線接收器時(shí)，須注意其它光線的干擾，為排除干擾可以在接收器的放大
部份加入一帶通濾波器，以讓紅外線發(fā)光二極管發(fā)射出來(lái)光線的頻率通過，如此可
以減少很多不必要的干擾。

4.方向特性
紅外線發(fā)光二極管的發(fā)射強(qiáng)度因發(fā)射方向而異。方向的特性如圖4，圖的發(fā)射強(qiáng)
度是以最大值為基準(zhǔn)，方向角度即為發(fā)射強(qiáng)度的相對(duì)值。當(dāng)方向角度為零度時(shí)，其
放射強(qiáng)度定義為100％，當(dāng)方向角度越大時(shí)，其放射強(qiáng)度相對(duì)的減少，發(fā)射強(qiáng)度如由
光軸取其方向角度一半時(shí)，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度
越小即代表元件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指
向性更靈敏，而圖4（a）的曲線就是附有透鏡的情況，方向半值角大約在± 7°。另
外每一種編號(hào)的紅外線發(fā)光二極管其幅射角度亦有所不同，圖4 (b)所示之曲線為另
一種編號(hào)之元件，方向半值角大約在± 50°，詳細(xì)之幅射角度之比較，可參閱表1。

5.距離特性
紅外線發(fā)光二極管的幅射強(qiáng)度，依光軸上的距離而變，亦隨受光元件的不同而
變。圖5是受光元件的入射光量變化和距離的特性。基本上光量度是隨距離的平方
成反比，且和受光元件特性不同有關(guān)。

6.響應(yīng)特性
響應(yīng)特性所指的是，紅外線發(fā)光二極管加入電流后，至發(fā)光的時(shí)間，一般紅外
線發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間是隨其制作方法不同而異。現(xiàn)在最快的是液體成長(zhǎng)型紅外
線發(fā)光二極管，其響應(yīng)速度約在1~3uS ，亦即在適當(dāng)調(diào)節(jié)下，其使用頻率約在300KHz
以下。
7.包裝與外型
紅外線發(fā)光二極管的包裝種類分為三種，透鏡消除型、陶瓷型及樹脂分子型，
其包裝構(gòu)造，如圖6所示，若在使用環(huán)境上，用途上要求嚴(yán)格的話，應(yīng)使用陶瓷型
的最佳。紅外線發(fā)光二極管的外型，如圖所示。