发光二极管（LED）是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属于自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽（30〜60nm）和较大的发射角（^100°）,常用于低速、短距离光传输系统。在安防视频监控中主要用于光发射端机与主动式红外发光光源等。
1. 发光二极管（LED）的结构及其发光原理
1.发光二极管（LED）的结构
发光二极管由P型和N型半导体组合而成。它实际是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座上，欧姆接触引出两根金属引线，然后用透明环氧树脂封装而成。
LED的结构既可以釆用PN同质结结构，也可釆用PN异质结结构。异质结结构可以控制发光面积和消除由透明包层引起的吸收，LED普遍釆用双异质结结构，从而使LED具有优异的工作特性。
LED品种繁多，结构和性能各异。由于可以制造出材料、结构、发光颜色、发光面特征、功能不同的LED,从而为LED提供了广阔的应用空间，成为时下首选的绿色环保光源。目前，根据发光方向、发光功率、耦合效率、是否有谐振腔的不同，光纤通信中所用的LED的结构可以分为如下的几个类型：
- 面发光二极管(SurfaceLightEmittingDiode,SLED)；
- 边发光二极管(EdgeLightEmittingDiode,ELED):
- 超辐射(或超高亮度)发光二极管(SuperluminescentLightEmittingDiode,S-LED):
- 谐振腔发光二极管(ResonantCavityLightEmittingDiode,RC-LED)；
- 量子点发光二极管(QuantumDotLightEmittingDiode,QD-LED或QLED)。
2.发光二极管(LED)发光的基本原理
当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合，从而释放能量而发光。
光的波长(决定光的颜色)由形成PN结构的材料决定，因而可以制造各种不同波长的LED。目前实用的发光二极管大多用111〜V族半导体材料制成，用这些材料制成的发光二极管的特性参数如表2-2示。.
表2-2各种材料制成的发光二极管的特性参数
| 材料 | 禁带宽度/eV | 峰值波长/ nm | 结构 | 颜色 | 外部效率/% |
| GaAs | 940 | PN | 红外 | ||
| GaP | 2.24 | 585 | PN | 黄 | |
| GaP (Zn, O2) | 2.24 | 700 | PN | 红 | 1.0 |
| GaP (Zn, N2) | 2.24 | 565 | PN | 绿 | 0.1 |
| GaAs1-xPx | 1.84 〜1.94 | 620〜680 | PN | 红 | 0.3 |
| Ga1-xAlx As | 1.80 〜1.92 | 640〜700 | PN | 红 | 0.4 |
| GaN | 3.5 | 0.44 | MIS | 蓝 | 0.01 〜0.1 |
3.发光二极管(LED)的主要特点
(1)工作电压低，有的仅需1.5〜1.7V即能导通发光，一般正向电压约为2V,因而能直接与集成电路匹配使用。
(2)工作电流小，其典型值约为10mA。
(3)具有和普通晶体二极管相似的单向导电特性，只是死区电压略高些。
(4)具有和硅稳压二极管相似的稳压特性。
(5)响应速度极快，时间常数为106〜］0%,有良好的频率特性，调制频率可以很高。
(6)小巧轻便、耐震动、寿命长，一般可达10万小时以上。
(7)主要缺点是发光效率低，有效发光面很难做大。
2. 发光二极管(LED)的主要特性参数
1.LED的效率
(1)功率效率μp。即将输入的电功率pi转换成辐射的功率pe的效率，即
ηp=pe/pix100% (2-3）
要提高ηp,就是要提高在一定电功率输入下的辐射功率输出，也就是减小器件的无用电功率损耗。如做好欧姆接触，以减小焦耳热的损耗功率等。
(2)光学效率ηO。即外量子效率ηqe与内量子效率ηqi的比，即
光学效率可用来比较外量子效率的相对大小。所谓量子效率，是指注入载流子复合而产生的光量子的效率。但由于内吸收和内反射等原因，使得产生的光量子不能全部射出，因此量子效率又分为内量子效率和外量子效率。内量子效率等于辐射复合所产生的光子数NT'与激发时注入的电子空穴对数G之比，即
ηqi=N´T/G (2-5)
由于半导体材料的折射率较高，反射和吸收的损失很大，所以辐射复合所产生的光量子不能全部射出器件之外。外量子效率是射出的光子数Nr与注入的电子空穴对数G之比，即
ηqe-NT/G (2-6)
提高光学效率的方法就是减少吸收(选择最佳结深等)与晶体表面的内反射损失(选合适的封装材料等)。
(3)流明效率ηL。也称为光度效率或发光效率。即用于显示的人眼衡量的效率，它表示消耗单位电功率Pi所得到的光通量F,即
ηL=F/Pi(lm/W) (2-7)
而
ηL=ηP*ηb (2-8)
式中，ηb为照明效率，它是辐射功率转换成光通量的效率，即
ηb=F/Pe(lm/W)(2-9)
显然，提高ηL的方法就是提高ηp和ηb，即使发射光谱与视见函数有最大的重叠。
2.LED的伏安特性与P-I特性
图2-3 LED的伏安特性
发光二极管的伏安特性如图2-3所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流。电压超过开启点就显示出欧姆导通特性。发光二极管的反向击穿电压一般在-5V以上。由于LED的正向伏安曲线较陡，故在应用时必须串接限流电阻,以免烧坏管子。在直流电路中，其限流电阻R可用下式估算。
R=(E-UF)/IF (2-10)
式中，E为电源电压；UF为LED的正向压降；IF为流过LED的电流。在交流电路中，限流电阻R为
R=(e-UF)/(2/F) (2-11)
式中，e为交流电源电压的有效值。
LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎没有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。其发光亮度丄与正向电流小近似成正比，其公式为
L=Kifn (2-12)
式中，K为比例系数，在小电流范围内(/F=l〜10mA),通常情况下，,n=1.3~1.5;当IF>10mA时，n=1。通常情况下，流过LED的电流不会低于10mA,此时，式（2-12）可简化为
L=KIf （2-13）
即亮度与正向电流成正比。因此，可以通过流过LED的电流来控制LED的亮度。LED的正向电压则与正向电流，以及管芯的半导体材料有关。实用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的/F值(一般选10mA左右，对于高亮度LED可选20mA,超高亮度的LED的工作电流可达100mA以上)。
图2-4 LED的P-I特性
图2-4是LED的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-/曲线的线性范围较大。
3.LED的光谱特性
LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，其典型光谱曲线如图2-5所示。发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长和，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差A人为LED谱线宽度(简称谱宽)，其典型值在30-40nm之间。
图2-5 LED的光谱特性曲线
由图2-5可以看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动(如图中虚线所示)。值得指出的是，从，p的变化，还可以求出LED的波长温度系数。
4.LED的调制特性
当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，如图2-6所示。
图2-6 LED的调制特性
调制频率或调制带宽是光传输通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光传输通信中的传输速度大小。LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十MHz,从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化的驱动电路，LED也有可能用于高速光纤传输通信系统。
调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输岀的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(-3dB)的频率，就是LED的调制带宽。
3. 发光二极管(LED)在安防中的应用
发光二极管的应用很广，如可用来进行数字、文字及图像显示，照明与指示，以及制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合器件等。
由于LED的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明等情况不同，使用时，首先应根据实际需要进行恰当选择；其次要注意LED的极限参数的限制，即允许功耗PM、最大正向直流电流IFm、最大反向电压VRM、工作环境温度范围等。因此使用时，应保证不超过此限制值。为安全起见，实际工作电流IF应选在0.6IFM以下，应让可能岀现的反向电压Vr<0.6RM。
发光二极管在安防监控中的应用也很广，如作为各种光信息源，在夜视技术中主要作红外光源等。
1.用作各种光信息源
(1)光纤传输系统中光发射端机的光信息源。光纤传输系统相比同轴电缆等传输系统有10条明显的优势。因此，在需要传输高清高质量图像画面时，它是一种首选的传输手段。
但在光纤传输系统中，连接光纤光缆两端的是光发射端机与光接收端机，而在光发射端机中光电发光器件是其核心部件。通常，大多使用LED,它将电信号转换为光信号经光纤光缆传输到远端的光接收端机，由光接收探测器件还原成电信号输岀。
(2)作红外光波传输的光信息源。红外光波传输系统是无线光传输技术，同样它也需要光发射端机与光接收端机。
(3)作主动式红外报警的红外光信息源。所谓主动式即能主动发射红外光。当被探测目标侵入所防范的警戒线，遮挡了红外发射机与接收机之间的红外光束，而进入报警状态的电子装置就称为主动式红外探测器。它的基本组成与工作原理，如图2-7所示。
图2-7主动式红外探测器的组成与原理
由图可知，主动式红外探测器由红外发射机与红外接收机2大部分组成。红外发射光源，通常用碑化镣红外发光二极管(或碑镣铝双异质结半导体激光器)等。它采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光。这样，就大大降低了电源的功耗，提高了灵敏度，又增加了系统抗杂散光的干扰能力。
这种对光束遮挡型的探测器，要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短遮光时间。如人的最小宽度为20cm,则最短遮断时间为20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光时间大于20ms,系统报警；遮光时间小于20ms,则不报警。
主动红外探测器多采用双光路或多光路，被广泛使用在周界报警系统工程中。这种主动红外周界入侵探测报警系统产品，做得较好的有广州天网安防科技有限公司的新型远距离红外线幕墙。
该产品红外发光二极管釆用940nm波长，并釆用光编码调制红外线射束，而使幕墙隐蔽而抗干扰。它只有在任意相邻的两根红外线射束被同时阻断规定时间20ms时，才产生报警,绝不会由于飞鸟、昆虫等飞过而引发误报警。
(4)作光纤周界报警的红外光信息源。红外发光二极管除用于上述的红外线幕墙周界防范外，也用于光纤传感的周界报警的红外光信息源。如光纤布拉格光栅传感周界报警系统的红外光信息源就多是使用的侧面发光二极管。
(5)作安防系统的红外遥控开关与防火防盗门铃三用传感器的信息源。众所周知，红外发光二极管多用于家用电视机与空调等的遥控器中，现也用作安防系统与设备的红外遥控开关。
2.用作夜视技术中的主动红外光源
根据第1章波长λ=1240/Eg（nm）知，Eg是某半导体材料导带与价带之间的禁带宽度（单位为电子伏特）。因此，当釆用碑化镓半导体（当然也还有其他材料的半导体）时，其禁带宽度Eg决定它只能发出近红外光。珅化镓LED的电源线共有两根，在加正向电压通电后，即会发岀近红外光，光线经过前端球形镜头的放大后就会射到场景中去。LED的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。神化镣发光二极管的光转换效率也相当高，一般可以将50%的电能转换成红外光辐射能量。这种灯在略高于室温的温度下工作时，几乎不发热，因此也就不需要特别的冷却装置。
要想照亮一定距离的场景，常常需要几十、几百个LED构成的平面式阵列。因此，可根据场景的情况，尤其距离的远近来配备LED的多少。各个发光二极管的红外光输出合并起来，就可以产生足够多的光线，使其足以照亮被监视的现场，从而使得CCD与CMOS摄像机可以产生高质量的黑白视频图像。此外，还可将红外发光二极管装在镜头上，与黑白CCD摄像机配用，或直接装在摄像机与镜头接口周围的机壳上。显然，这两种装配的红外LED少，其照射的距离肯定不如单独的红外LED阵列灯照射的远。
这种发光器件和白炽灯泡相比，有体积小、耐冲力、寿命长、功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，因而获得了广泛应用。
目前，红外LED光源己由第一代传统的LED,第二代小功率阵列式LED,发展到第三代大功率阵列式LED（即LEDArray）.它首先由美国PacificCybervision公司开发生产，其每颗LEDArray可集成60粒LED发光晶体，一开始时光学输出就达到了800-1000mW,而目前，新一代的单个LEDArray的光学输出就己经能做到4000mW以上，发光半功率角为10-120°（可变角）。它既有第二代红外LED灯的体积小，散热处理好，寿命长的优势，又解决了第二代红外LED阵列式光源因偏心而不够亮的缺点。这种大功率阵列式LED的价格接近或低于传统LED,是集第一代、第二代优点于一身，并完全避免了缺点的最新一代红外LED光源，目前已成为高质量夜间监控的一种理想选择。
第三代红外LED光源填补了第一代传统LED、第二代阵列式光衰快，使用寿命短，电光转换效能低，亮度不足，散热性能不良，功耗大等缺点，是全球红外夜视技术领域的新的突破。这种新一代的红外光源在产品性能与应用等方面与激光红外相比，也有明显的优势。它以先进的集成与独特的封装技术，类似单颗灯形式完全取代第二代多颗灯模式，不仅电光转化效率高,而且降低了功耗。又由于散热性能良好，使用寿命是激光红外与传统红外灯的4~5倍，因而已广泛应用于安防视频监控市场。
3.用LED作显示器
由于安防监控场景需要在监控中心显示，因而需要显示器。所以，显示器是安防监控系统的重要终端设备，但它们都是光电信息技术中的基本的光电器件，即电光转换器件构成的。LED可用于数字、文字及图像显示，这在日常生活中到处可见，详情可参阅本书参考文献[1，2],
这里仅简介用LED制作的点阵式显示器。
通常，把发光二极管作矩阵排列，最常用的点阵式显示器为5'7矩阵，考虑到要显示小数点时，需要5x7+1=36个发光单元，13根引出线，其显示原理如图2-8和图2-9所示。它除能完成数码管所能显示的字符外，还能显示文字和一些其他符号。
图2-8 5x7点阵显示电路图 图 2-9 5x7点阵显示电路
纵向转换，横向输入信号 横向转换，纵向输入信号
纵向转换，横向输入信号 横向转换，纵向输入信号
图2-8是从横向（行）输入信号，用纵向（列）转换开关来进行显示。图2-9是从纵向输入信号，用横向转换开关来进行显示的。该显示器用扫描驱动方式，选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源，每个LED的平均电流不应超过20mA。根据显示文字的各点坐标，在扫描过程中利用脉冲来控制开关的启闭，使组成文字的各点顺序发光。虽然发光是闪烁的，但由于人眼的余像效应，看起来仍是一个静止的文字。
如果将这种LED点阵管多块组合，则可构成大屏幕显示屏（参见后面光电显示技术）。目前，LED作为显示元件已发展到彩色和大面积的汉字、图表、图像（含安防监控场景）等的显示，并被广泛用于机场、车站、码头，以及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。
此外，目前发光二极管也已被用于液晶显示器的背光源等。
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