红外线发射二极管原理

红外线发光二极管资料

发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元
件。在本实习中，所要介绍的红外线发光元件，是以砷化镓(GaAs)的红外线发光二
极管（也称红外线发射二极管）为主体，分别叙述其基本特性及应用电路。
(一)、基本特性
1.电流—电压特性
红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线，如图1所示。阳极（P极）电
压加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生
正向电流，提供了红外线发光二极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发
光二极管(LED)一样，只是红外线为不可见光。一般而言砷化镓的红外线发光二极
体约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须1.8V；绿色发光二极管切入电压
约须2.0V左右。当加入之电压超过切入电压之后，电流便急速上升，而周围温度对
二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，将使其切入电压数值降低，反之，
切入电压降低。
红外线发光二极管工作在反向电压时，只有微小的漏电流，但反向电压超过崩
溃电压时，便立即产生大量的电流，将使元件烧毁，一般红外线二极管反向耐压之
值约为3~6V，在使用时尽量避免有此一情形发生。

图一红外线发光二极体的特性

2.损失
红外线发光二极管的热损失，是因元件所外加的电压VF，产生的电流IF累积而
来的，除了一小部份能量做为光的发射外，大部份形成热能而散发，所散发的热能
即所谓的损失。
元件的功率损耗，在最大值的60％以下范围内，元件使用上会很安全，功率的
损其最大值与周围温度亦有关系。

(二)、发射束电流特性
一般可见光的发光二极管其输出光的强度是以光度表示之，而不可见光如红外
线发光二极管其输出光的能量大小，是以发射束Fe表示，其单位为瓦特。发射束的
意义是单位时间内，所能发射、搬移光的能量的多寡。
红外线发光二极管的发射束大体上也是随电流比例而定，如图2所示，为发射束
与正向电流的特性曲线。同时，发射束亦受周围温度影响，温度下降时，发射束反
而增强；温度上升时，则下降（正向电流一般都有一固定值），然而因热损失之故，
元件上的温度便形增加，如此发光效率就会受到影响而降低。

图2 发射束－正向电流特性(GL-514)

3.发光频谱：
发光二极管所发射的光波长，常因其所用的材料而异。图6所表示是各种发光
二极管的发光频谱。砷化镓的红外线发光二极管，其峰值发光波长为940~950 nm，
而人不能看到的光波长，大概就在900 nm以上，这也就是红外线的光我们人眼所
不能看到的原因。图中虚线部分，是Si质光电晶体的相对分光感度，光电晶体的
感光范围很大，其范围由500nm到1100nm，而其感光峰值约在800nm左右，所以
光电晶体除了平常用来做可见光线侦测外，也常用来做红外线接收器。但使用光电
晶体当红外线接收器时，须注意其它光线的干扰，为排除干扰可以在接收器的放大
部份加入一带通滤波器，以让红外线发光二极管发射出来光线的频率通过，如此可
以减少很多不必要的干扰。

图3发光二极管的发光频谱

4.方向特性
红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异。方向的特性如图4，图的发射强
度是以最大值为基准，方向角度即为发射强度的相对值。当方向角度为零度时，其
放射强度定义为100％，当方向角度越大时，其放射强度相对的减少，发射强度如由
光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角，此角度
越小即代表元件之指向性越灵敏。一般使用红外线发光二极管均附有透镜，使其指
向性更灵敏，而图4（a）的曲线就是附有透镜的情况，方向半值角大约在± 7°。另
外每一种编号的红外线发光二极管其幅射角度亦有所不同，图4 (b)所示之曲线为另
一种编号之元件，方向半值角大约在± 50°，详细之幅射角度之比较，可参阅表1。

图4发光元件的方向特性

5.距离特性
红外线发光二极管的幅射强度，依光轴上的距离而变，亦随受光元件的不同而
变。图5是受光元件的入射光量变化和距离的特性。基本上光量度是随距离的平方
成反比，且和受光元件特性不同有关。

图5相对发射输出与距离特性

6.响应特性
响应特性所指的是，红外线发光二极管加入电流后，至发光的时间，一般红外
线发光二极管的响应时间是随其制作方法不同而异。现在最快的是液体成长型红外
线发光二极管，其响应速度约在1~3uS ，亦即在适当调节下，其使用频率约在300KHz
以下。
7.包装与外型
红外线发光二极管的包装种类分为三种，透镜消除型、陶瓷型及树脂分子型，
其包装构造，如图6所示，若在使用环境上，用途上要求严格的话，应使用陶瓷型
的最佳。红外线发光二极管的外型，如图所示。