紅外線發射二極管原理

紅外線發光二極管資料

發光元件的種類很多，依光譜大致可分為紅外線發光元件及可見光的發光元
件。在本實習中，所要介紹的紅外線發光元件，是以砷化鎵(GaAs)的紅外線發光二
極管（也稱紅外線發射二極管）為主體，分別敘述其基本特性及應用電路。
(一)、基本特性
1.電流—電壓特性
紅外線發光二極管其電氣的電路符號及特性曲線，如圖1所示。陽極（P極）電
壓加正，陰極（N極）電壓加負，此時二極管所加之電壓為正向電壓，同時亦產生
正向電流，提供了紅外線發光二極管發射出光束的能量，其發光的條件與一般的發
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光二極
體約須1V，而鎵質的紅色發光二極管切入電壓約須1.8V；綠色發光二極管切入電壓
約須2.0V左右。當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
二極管的切入電壓影響亦很大，當溫度較高時，將使其切入電壓數值降低，反之，
切入電壓降低。
紅外線發光二極管工作在反向電壓時，只有微小的漏電流，但反向電壓超過崩
潰電壓時，便立即產生大量的電流，將使元件燒毀，一般紅外線二極管反向耐壓之
值約為3~6V，在使用時盡量避免有此一情形發生。

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

(二)、發射束電流特性
一般可見光的發光二極管其輸出光的強度是以光度表示之，而不可見光如紅外
線發光二極管其輸出光的能量大小，是以發射束Fe表示，其單位為瓦特。發射束的
意義是單位時間內，所能發射、搬移光的能量的多寡。
紅外線發光二極管的發射束大體上也是隨電流比例而定，如圖2所示，為發射束
與正向電流的特性曲線。同時，發射束亦受周圍溫度影響，溫度下降時，發射束反
而增強；溫度上升時，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，如此發光效率就會受到影響而降低。

3.發光頻譜：
發光二極管所發射的光波長，常因其所用的材料而異。圖6所表示是各種發光
二極管的發光頻譜。砷化鎵的紅外線發光二極管，其峰值發光波長為940~950 nm，
而人不能看到的光波長，大概就在900 nm以上，這也就是紅外線的光我們人眼所
不能看到的原因。圖中虛線部分，是Si質光電晶體的相對分光感度，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做可見光線偵測外，也常用來做紅外線接收器。但使用光電
晶體當紅外線接收器時，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，以讓紅外線發光二極管發射出來光線的頻率通過，如此可
以減少很多不必要的干擾。

4.方向特性
紅外線發光二極管的發射強度因發射方向而異。方向的特性如圖4，圖的發射強
度是以最大值為基準，方向角度即為發射強度的相對值。當方向角度為零度時，其
放射強度定義為100％，當方向角度越大時，其放射強度相對的減少，發射強度如由
光軸取其方向角度一半時，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
外每一種編號的紅外線發光二極管其幅射角度亦有所不同，圖4 (b)所示之曲線為另
一種編號之元件，方向半值角大約在± 50°，詳細之幅射角度之比較，可參閱表1。

5.距離特性
紅外線發光二極管的幅射強度，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。

6.響應特性
響應特性所指的是，紅外線發光二極管加入電流后，至發光的時間，一般紅外
線發光二極管的響應時間是隨其制作方法不同而異。現在最快的是液體成長型紅外
線發光二極管，其響應速度約在1~3uS ，亦即在適當調節下，其使用頻率約在300KHz
以下。
7.包裝與外型
紅外線發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，
其包裝構造，如圖6所示，若在使用環境上，用途上要求嚴格的話，應使用陶瓷型
的最佳。紅外線發光二極管的外型，如圖所示。