发光二极管发光的本质原因

大家好，我是巩俐。我希望你能支持我。

今天就来说说发光二极管。

什么是发光二极管？发光二极管(LED)本质上是一种特殊类型的二极管，因为LED具有与PN结二极管非常相似的电气特性。当电流流过发光二极管(LED)时，LED允许电流正向流动，并防止电流反向流动。

发光二极管由非常薄但掺杂相当重的半导体材料制成。根据所使用的半导体1材料和掺杂量，当正向偏置时，发光二极管(LED)将发出具有特定光谱波长的彩色光。如下图所示，发光二极管(led)封装有透明罩来发光。

发光二极管物理图

发光二极管电路符号发光二极管符号与二极管符号类似，只是有两个小箭头表示发光，所以叫发光二极管(led)。LED包括两个端子，即阳极(+)和阴极(-)。LED的符号如下。

发光二极管符号

如何区分LED的正极和负极？我之前的文章里有详细的解释。可以直接点击下面的文章。

二极管如何区分正负极？

这里简单说一下。

常用发光二极管，正负极容易区分。长引脚为正，短引脚为负。管脚相同的情况下，LED灯管内微小的金属为正极，大的为负极。贴片led一般都有一个小凸点来区分正负极，有特殊标记的为负极，没有特殊标记的为正极。

发光二极管正负极性判断图

发光二极管正负极性判断图

如何衡量LED的好坏？说的具体一点，你可以看我的文章，点击进入即可。

如何衡量二极管的质量？

LED LED的工作原理LED在正向偏置时会发光。当电压施加在结上使其正向偏置时，电流就像任何PN结一样流动。P型区的空空穴和N型区的电子进入结，像普通二极管一样复合，使电流流动。当这种情况发生时，能量被释放，其中一些以光子的形式存在。

发现大部分光是从P型区附近的结区产生的。因此，二极管被设计成使得该区域尽可能靠近器件的表面，以确保该结构中吸收的光量最小。具体原理见下图。

发光二极管工作原理图

图中显示了LED的工作原理和图形的分布过程。

从上图我们可以观察到，N型硅是红色的，包括黑色圆圈代表的电子。p型硅是蓝色的，它包含空空穴，它们用白色圆圈表示。pn结上的电源正向偏置二极管，将电子从N型推向P型。向相反方向推动空点。结处的电子与空空穴结合。随着电子和空空穴的复合，光子被释放出来。LED示意图

发光二极管是如何发出不同颜色的光的？发光二极管由特殊的半导体化合物制成，如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GAAP)、磷化镓(GaAsP)、碳化硅(SiC)或氮化铟镓(GaInN)，这些化合物以不同的比例混合在一起，可以产生不同波长的颜色。

不同的LED化合物在可见光谱的特定区域发光，从而产生不同的强度水平。所用半导体材料的精确选择将决定光子发射的总波长，从而决定发射光的颜色。

LED的实际颜色取决于发射光的波长，而波长又取决于制造过程中用于形成PN结的实际半导体化合物。

因此，LED发出的光的颜色不是由LED塑料体的颜色决定的，尽管这些塑料体被稍微着色以增强光输出并在它们不被电源照亮时指示它们的颜色。

为了产生可见光，LED材料必须优化PN结，选择合适的材料。常用的半导体材料，包括硅、锗等，都是单质，但这些材料制成的PN结是不发光的。相反，包括砷化镓、磷化镓、磷化铟等化合物半导体都是化合物半导体，这些材料制成的结确实会发光。

纯砷化镓在光谱的红外部分释放能量。为了将光发射到光谱的可见红光端，将铝添加到半导体中以产生AlGaAs，或者可以添加磷以发射红光。对于其他颜色，使用其他材料。比如磷化镓发出绿光，而铝铟镓磷化物发出黄光和橙光。大多数led基于镓半导体。

不同发光二极管的材料

砷化镓(GaAs)–红外磷化镓砷(gaasp)–红色到红外，橙色磷化镓铝(alga as P)–高亮度红色、橙红色、橙色和黄色磷化镓(GAP)–红色、黄色和绿色磷化镓铝(AlGaP)–绿色氮化镓(GaN)–绿色和青绿色氮化铟镓(GAIN)–近紫外、蓝绿色和蓝色碳化硅(SiC)–蓝色硒化锌(ZnSe)作为衬底–蓝色氮化镓铝(AlGaN)–关于更具体的紫外线，可以看下图，其中涵盖了的材料、颜色、工作电压和波长

LED色材对应图

LED VI特性目前有不同类型的LED可供选择，它们具有不同的LED特性，包括色光或波长辐射和光强。LED的重要特征是颜色。当你开始使用LED时，只有红色。在半导体技术的帮助下，LED的使用量增加了，LED新金属的研究也形成了不同的色彩。

LED VI特性图

发光二极管的应用发光二极管有许多应用，下面将解释其中的一些。

发光二极管在家庭和工业中被用作灯泡。led用于摩托车和汽车。这些是用来显示手机信息的。交通灯用LED串联电阻电路的串联电阻R S可用欧姆定律简单计算。已知所需的led正向电流I F、组合两端的电源电压V S和led的预期直流压降V F均处于所需的电流水平，限流电阻计算如下:

LED串联电阻电路

发光二极管的例子

正向电压降为2伏的琥珀色LED将连接到5.0伏稳定的DC电源。使用上述电路计算将正向电流限制在10mA以下所需的串联电阻。如果使用100ω串联电阻而不是首先计算，则还应计算流经二极管的电流。

1)串联电阻需要10mA。

发光二极管串联电阻公式

2)使用100ω串联电阻。

LED串联电流公式

上面的第一个计算表明，为了将流经LED的电流精确限制在10mA，我们需要一个300ω电阻。E12系列没有300ω的电阻，所以我们需要选择下一个最高的值，也就是330ω。快速重新计算显示，新的正向电流值现在为9.1mA。

LED串联电路我们可以将LED串联起来，以增加在显示器中使用时所需的数量或亮度。与串联电阻一样，串联的led都具有相同的正向电流，IF仅作为一个整体流经它们。由于所有串联连接的led都通过相同的电流，因此它们最好都具有相同的颜色或类型。

LED串联电路图

虽然相同的电流在led串联链中流动，但在计算所需限流电阻R S resistance时，应考虑它们之间的串联压降。如果我们假设每个LED点亮时的电压降是1.2伏，那么这三个LED上的电压降就是3 x 1.2v伏= 3.6伏。

如果我们还假设三个led由同一个5 V逻辑器件点亮或提供约10 mA正向电流，同上。那么电阻两端的电压降RS及其电阻值将计算如下:

发光二极管系列公式

同样，E12(10%容差)串联电阻中没有140ω电阻，所以我们需要选择下一个最高值，即150ω。

用于偏置的LED电路大多数LED的额定值为1伏至3伏，而正向电流的额定值为200毫安至100毫安。

用于偏置的LED电路图

LED偏置如果给LED施加一个电压(1V到3V)，它可以正常工作，因为施加的电压在工作范围内流动。类似地，如果施加到LED的电压高于工作电压，则LED中的耗尽区将由于高电流而击穿。这种意外的高电流会损坏设备。

这可以通过将电阻器与电压源和LED串联来避免。LED的安全额定电压范围是1V到3 V，而安全额定电流范围是200 mA到100 mA。

这里，设置在电压源和led之间的电阻称为限流电阻，因为它限制电流的流动，否则LED可能会损坏它。所以这个电阻对保护LED起着关键作用。

流经LED的电流可以写为:

IF = Vs–VD/Rs

#39;如果 # 39；是正向电流。

“Vs”是电压源。

“VD”是LED两端的电压降

“Rs”是限流电阻。

电压下降以破坏耗尽区的势垒。LED的压降是2V到3V，而Si或Ge二极管的压降是0.3，否则是0.7 V..

因此，与Si或Ge二极管相比，led可以通过使用高电压来操作。

发光二极管比硅或锗二极管消耗更多的能量来工作。

LED驱动电路的TTL和CMOS逻辑门的输出级可以提供和吸收有用电流，因此可以用来驱动LED。普通集成电路(IC)在注入模式配置中具有高达50mA的输出驱动电流，但是在源模式配置中具有大约30mA的内部限制输出电流。

从上文可以清楚地看出，无论哪种方式，都必须使用串联电阻将LED电流限制在安全值。以下是使用反相器IC驱动led的一些示例，但对于任何类型的集成电路输出，无论是组合输出还是顺序输出，想法都是一样的。

IC LED驱动电路电路图IC驱动LED

如果需要同时驱动多个LED，例如在大型LED阵列中，或者集成电路的负载电流过高，或者仅使用分立元件而不是IC。那么下面给出另一种驱动方式:使用双极NPN或PNP晶体管作为开关的LED。和前面一样，需要一个串联电阻R S来限制LED电流。

晶体管驱动电路

LED的亮度不能通过简单地改变流过它的电流来控制。让更多的电流流过LED会让它发出更亮的光，但也会导致它散发更多的热量。LED被设计成产生一定量的光，并且在大约10到20mA的特定正向电流下工作。

当节能很重要时，可以使用较小的电流。然而，将电流降低到5mA以下可能会使其光输出变暗，甚至完全关闭LED。控制led亮度的更好方法是使用一种称为“脉宽调制”或PWM的控制过程，其中LED根据所需的光强以不同的频率重复“打开”和“关闭”。

LED光强PWM用LED光强图

当需要更高的光输出时，具有相当短的占空比(“开-关”比)的脉宽调制电流允许二极管电流，因此在实际脉冲期间输出光强度显著增加，同时仍然将LED的“平均电流水平”和功耗保持在安全范围内。

这种“开-关”的闪烁条件不会影响人眼看到的东西，因为它“填充”了“开”和“关”光脉冲之间的间隙，只要脉冲频率足够高，使其看起来像连续的光输出。因此，对于眼睛来说，频率为100赫兹或更高的脉冲实际上比相同平均强度的连续光更亮。

LED显示屏除了单色或多色LED外，多个LED还可以组合在一个封装中，以产生条形图、条形、阵列和七段显示等显示。

7段LED显示屏提供了一种非常方便的方式来显示信息或数字数据的形式，数字，字母，甚至字母数字字符时，正确解码。顾名思义，它们在单个显示组件中由七个独立的led(段)组成。

为了分别生成从0到9和A到F的所需数字或字符，有必要点亮显示屏上LED段的正确组合。标准七段LED显示屏通常有八个输入连接，每个LED段一个，一个用作所有内部段的公共端子或连接。

公共阴极显示器(CCD)-在公共阴极显示器中，led的所有阴极连接都连接在一起，并且通过施加高逻辑“1”信号来照亮每个段。公共阳极显示器(CAD)–在公共阳极显示器中，led的所有阳极连接都连接在一起，通过将端子连接到低逻辑“0”信号来照亮每个段。典型七段LED显示屏典型七段LED显示屏

LED光耦合器最后，LED的另一个有用的应用是光耦合。又称光耦或光隔离器，是由LED和光电二极管、光电晶体管或光电三端双向可控硅组成的单一电子器件，可以提供输入之间的光信号通路连接和输出连接，同时保持两路之间的电气隔离。

光隔离器由不透明塑料体组成，输入(光电二极管)和输出(光电晶体管)电路之间的典型击穿电压高达5000伏。当需要来自低压电路(如电池供电电路、计算机或微控制器)的信号来操作或控制另一个在潜在危险电源电压下工作的外部电路时，这种电气隔离特别有用。

光电二极管和光电晶体管光电耦合器

光隔离器中使用的两个组件是光发射器(如发射红外线的砷化镓LED)和光接收器(如光电晶体管)，这两个组件紧密光学耦合，并利用光在它们的输入端之间发送信号和/或信息并输出。这允许信息在没有电连接或公共地电位的电路之间传输。

光隔离器是数字或开关设备，因此它们传输“开-关”控制信号或数字数据。模拟信号可以通过频率或脉冲宽度调制来传输。

发光二极管的优点和缺点发光二极管的优点包括以下几点。

LED的成本越来越低，越来越小。它是利用led的能量来控制的。LED的亮度随着微控制器的帮助而变化。使用寿命长、高效节能、无预热期、坚固耐用、不受低温影响、定向显色性极佳。环保可控LED的缺点包括以下几点。

电压敏感性和效率下降引起的光质价格敏感性和温度依赖性对昆虫的影响。以上是发光二极管的一些基本知识和工作原理。如果你有任何问题，请在评论区留言。

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