今天給大家講一下發(fā)光二極管。

什么是發(fā)光二極管？

發(fā)光二極管（LED）本質(zhì)上是一種特殊類型的二極管，因為發(fā)光二極管具有與PN結二極管非常相似的電氣特性。當電流流過發(fā)光二極管（LED）時，發(fā)光二極管（LED）允許電流正向流動，并且阻止電流反向流動。

發(fā)光二極管由非常薄的一層但相當重摻雜的半導體材料制成。根據(jù)所使用的半導體1材料和摻雜量，當正向偏置時，發(fā)光二極管（LED）將發(fā)出特定光譜波長的彩色光。如下圖所示，發(fā)光二極管（LED）用透明罩封裝，以可以發(fā)出光來。

發(fā)光二極管實物圖

發(fā)光二極管電路符號

發(fā)光二極管符號與二極管符號相似，只是有兩個小箭頭表示光的發(fā)射，因此稱為發(fā)光二極管（LED）。發(fā)光二極管包括兩個端子，即陽極（+）和陰極（-），發(fā)光二極管的符號如下所示。

發(fā)光二極管符號

發(fā)光二極管正負極怎么區(qū)分？

這個在我之前的文章里面有詳細的講解，可以直接點擊下面這個文章。

二極管怎么區(qū)分正負極

這里簡單地講一下。

• 發(fā)光二極管比較常用，正負極容易區(qū)分。長引腳為正極，短引腳為負極。

• 引腳相同的情況下，LED管體內(nèi)極小的金屬為正極，大塊的為負極。

• 貼片式發(fā)光二極管，一般都有一個小凸點區(qū)分正負極，有特殊標記為負極，無特殊標記為正極。

發(fā)光二極管正負極性判斷圖

發(fā)光二極管正負極性判斷圖

發(fā)光二極管怎么測好壞？

更為具體的，大家可以去看我的這篇文章，直接點擊進入就可以了。

二極管怎么測好壞？

發(fā)光二極管的工作原理

發(fā)光二極管在正向偏置時發(fā)光，當在結上施加電壓以使其正向偏置時，電流就像在任何 PN 結的情況下一樣流動。來自 p 型區(qū)域的空穴和來自 n 型區(qū)域的電子進入結并像普通二極管一樣重新組合以使電流流動。當這種情況發(fā)生時，能量被釋放，其中一些以光子的形式出現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)大部分光是從靠近 P 型區(qū)域的結區(qū)域產(chǎn)生的。因此，二極管的設計使得該區(qū)域盡可能靠近器件的表面，以確保結構中吸收的光量最少。具體的原理可以看下圖。

發(fā)光二極管工作原理圖

上圖顯示了發(fā)光二極管的工作原理以及該圖的分布過程。

• 從上圖中，我們可以觀察到 N 型硅是紅色的，包括由黑色圓圈表示的電子。

• P 型硅是藍色的，它包含空穴，它們由白色圓圈表示。

• pn結上的電源使二極管正向偏置并將電子從n型推向p型。向相反方向推動空穴。

• 結處的電子和空穴結合在一起。

• 隨著電子和空穴的重新結合，光子被釋放出來。

發(fā)光二級管原理圖

發(fā)光二極管怎么發(fā)出不同顏色的光？

發(fā)光二極管由特殊半導體化合物制成，例如砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、砷化鎵磷化物 (GaAsP)、碳化硅 (SiC) 或氮化鎵銦 (GaInN) 都以不同的比例混合在一起，以產(chǎn)生不同波長的顏色。

不同的 LED 化合物在可見光譜的特定區(qū)域發(fā)光，因此產(chǎn)生不同的強度水平。所用半導體材料的準確選擇將決定光子發(fā)射的總波長，從而決定發(fā)射光的顏色。

發(fā)光二極管的實際顏色取決于所發(fā)射光的波長，而該波長又取決于制造過程中用于形成 PN 結的實際半導體化合物。

因此，LED 發(fā)出的光的顏色不是由 LED 塑料體的顏色決定的，盡管這些塑料體略微著色以增強光輸出并在其未被電源照亮時指示其顏色。

發(fā)光二極管材料

為了產(chǎn)生可以看見的光，必須優(yōu)化PN結并且必須選擇正確的材料。常用的半導體材料包括硅和鍺，都是一些簡單的元素，但這些材料制成的PN結不會發(fā)光。相反，包括砷化鎵、磷化鎵和磷化銦在內(nèi)的化合物半導體是化合物半導體，由這些材料制成的結確實會發(fā)光。

純砷化鎵在光譜的紅外部分釋放能量，為了將光發(fā)射帶入光譜的可見紅色端，將鋁添加到半導體中以產(chǎn)生砷化鋁鎵 (AlGaAs)，也可以添加磷以發(fā)出紅光。對于其他顏色，則使用其他材料。例如，磷化鎵發(fā)出綠光，而鋁銦鎵磷化物則用于發(fā)出黃光和橙光，大多數(shù)發(fā)光二極管基于鎵半導體。

不同發(fā)光二極管的材料

• 砷化鎵 (GaAs) – 紅外線

• 砷化鎵磷化物 (GaAsP) – 紅色至紅外線，橙色

• 砷化鋁鎵磷化物 (AlGaAsP) – 高亮度紅色、橙紅色、橙色和黃色

• 磷化鎵 (GaP) – 紅色、黃色和綠色

• 磷化鋁鎵 (AlGaP) – 綠色

• 氮化鎵 (GaN) – 綠色、翠綠色

• 氮化鎵銦 (GaInN) – 近紫外線、藍綠色和藍色

• 碳化硅 (SiC) – 藍色作為基材

• 硒化鋅 (ZnSe) – 藍色

• 氮化鋁鎵 (AlGaN) – 紫外線

更加具體的大家可以看下面這個圖，下圖涵蓋了發(fā)光二極管的材料，發(fā)光二極管顏色，發(fā)光二極管工作電壓、發(fā)光二極管波長。

發(fā)光二極管顏色材料對應圖

發(fā)光二極管VI特性

目前有不同類型的發(fā)光二極管可供選擇，并且擁有不同的LED 特性，包括顏色光或波長輻射、光強度。LED的重要特性是顏色。在開始使用 LED 時，只有紅色。隨著半導體工藝的幫助，LED的使用量增加，對LED新金屬的研究，形成了不同的顏色。

發(fā)光二極管VI特性圖

發(fā)光二極管的應用

LED 有很多應用，下面將解釋其中的一些。

• LED在家庭和工業(yè)中用作燈泡

• 發(fā)光二極管用于摩托車和汽車

• 這些在手機中用于顯示消息

• 在紅綠燈信號燈處使用 LED

發(fā)光二極管串聯(lián)電阻電路

串聯(lián)電阻值R S可以通過簡單地使用歐姆定律計算得出，通過知道 LED 所需的正向電流I F、組合兩端的電源電壓V S和 LED 的預期正向電壓降V F在所需的電流水平，限流電阻計算如下：

LED串聯(lián)電阻電路

發(fā)光二極管示例

正向壓降為 2 伏的琥珀色 LED 將連接到 5.0v 穩(wěn)定直流電源。使用上述電路計算將正向電流限制在 10mA 以下所需的串聯(lián)電阻值。如果使用 100Ω 串聯(lián)電阻而不是先計算，還要計算流過二極管的電流。

1）串聯(lián)電阻需要在 10mA 。

發(fā)光二極管串聯(lián)電阻公式

2）用100Ω串聯(lián)電阻。

發(fā)光二極管串聯(lián)電流公式

上面的第一個計算表明，要將流過 LED 的電流精確地限制在 10mA，我們需要一個300Ω的電阻器。在E12系列電阻中沒有300Ω電阻，因此我們需要選擇下一個最高值，即330Ω?？焖僦匦掠嬎泔@示新的正向電流值現(xiàn)在為 9.1mA。

發(fā)光二極管串聯(lián)電路

我們可以將 LED 串聯(lián)在一起，以增加所需的數(shù)量或在顯示器中使用時增加亮度。與串聯(lián)電阻一樣，串聯(lián)的 LED 都具有相同的正向電流，IF僅作為一個流過它們。由于所有串聯(lián)的 LED 都通過相同的電流，因此通常最好是它們都具有相同的顏色或類型。

發(fā)光二極管串聯(lián)電路圖

雖然 LED 串聯(lián)鏈中流過相同的電流，但在計算所需的限流電阻R S電阻時，需要考慮它們之間的串聯(lián)壓降。如果我們假設每個 LED 在點亮時都有一個 1.2 伏的電壓降，那么這三個 LED 上的電壓降將為 3 x 1.2v = 3.6 伏。

如果我們還假設三個 LED 由同一個 5 V邏輯器件點亮或提供大約 10 毫安的正向電流，同上。然后電阻兩端的電壓降RS及其電阻值將計算為：

發(fā)光二極管串聯(lián)公式

同樣，在E12（10% 容差）系列電阻器中沒有140Ω電阻器，因此我們需要選擇下一個最高值，即150Ω。

用于偏置的發(fā)光二極管電路

大多數(shù) LED 的額定電壓為 1 伏至 3 伏，而正向電流額定值為 200 毫安至 100 毫安。

用于偏置的發(fā)光二極管電路圖

LED 偏壓如果向 LED 施加電壓（1V 至 3V），則由于施加的電壓在工作范圍內(nèi)的電流流動，因此它可以正常工作。類似地，如果施加到 LED 的電壓高于工作電壓，則發(fā)光二極管內(nèi)的耗盡區(qū)將由于高電流而擊穿。這種意想不到的高電流會損壞設備。

這可以通過將電阻與電壓源和 LED 串聯(lián)來避免。LED 的安全額定電壓范圍為 1V 至 3 V，而安全額定電流范圍為 200 mA 至 100 mA。

這里，設置在電壓源和 LED 之間的電阻器稱為限流電阻器，因為該電阻器限制電流的流動，否則 LED 可能會損壞它。所以這個電阻在保護LED方面起著關鍵作用。

流過 LED 的電流可以寫成：

IF = Vs – VD/Rs

'IF' 是正向電流

“Vs”是電壓源

“VD”是發(fā)光二極管兩端的電壓降

“Rs”是限流電阻

電壓量下降以破壞耗盡區(qū)的勢壘。LED 電壓降范圍為 2V 至 3V，而 Si 或 Ge 二極管為 0.3，否則為 0.7 V。

因此，與Si或Ge二極管相比，LED可以通過使用高電壓來操作。

發(fā)光二極管比硅或鍺二極管消耗更多的能量來工作。

發(fā)光二級管驅(qū)動電路

TTL 和 CMOS 邏輯門的輸出級都可以提供和吸收有用的電流量，因此可用于驅(qū)動 LED。普通集成電路 (IC) 在灌入模式配置中具有高達 50mA 的輸出驅(qū)動電流，但在源極模式配置中具有約 30mA 的內(nèi)部限制輸出電流。

通過上面應該已經(jīng)很明白了，無論哪種方式，都必須使用串聯(lián)電阻將 LED 電流限制在安全值。以下是使用反相 IC 驅(qū)動發(fā)光二極管的一些示例，但對于任何類型的集成電路輸出，無論是組合的還是順序的，其想法都是相同的。

IC發(fā)光二極管驅(qū)動電路

IC驅(qū)動LED電路圖

如果多個LED需要同時驅(qū)動，例如在大型 LED 陣列中，或者集成電路的負載電流過高，或者只使用分立元件而不是IC。那么另一種驅(qū)動方式下面給出了使用雙極 NPN 或 PNP 晶體管作為開關的 LED。和以前一樣，需要一個串聯(lián)電阻R S來限制 LED 電流。

晶體管驅(qū)動電路

晶體管LED驅(qū)動電路

發(fā)光二極管的亮度不能通過簡單地改變流過它的電流來控制。允許更多電流流過 LED 會使其發(fā)光更亮，但也會導致其散發(fā)更多熱量。LED 旨在產(chǎn)生一定數(shù)量的光，工作在大約 10 至 20mA 的特定正向電流下。

在節(jié)電很重要的情況下，可以使用更少的電流。但是，將電流降低到 5mA 以下可能會使其光輸出變暗，甚至將 LED 完全“關閉”?？刂?LED 亮度的更好方法是使用稱為“脈沖寬度調(diào)制”或 PWM 的控制過程，其中 LED 根據(jù)所需的光強度以不同的頻率重復“打開”和“關閉”。

使用PWM的發(fā)光二極管光強度

PWM的LED光強度圖

當需要更高的光輸出時，具有相當短占空比（“ON-OFF”比）的脈沖寬度調(diào)制電流允許二極管電流，因此在實際脈沖期間輸出光強度顯著增加，同時仍保持 LED “平均電流水平”和安全范圍內(nèi)的功耗。

這種“開-關”閃爍條件不會影響人眼所見，因為它“填充”了“開”和“關”光脈沖之間的間隙，只要脈沖頻率足夠高，使其看起來像連續(xù)的光輸出。因此，頻率為 100Hz 或更高的脈沖實際上在眼睛看來比具有相同平均強度的連續(xù)光更亮。

LED顯示屏

除了單色或多色 LED 外，多個發(fā)光二極管還可以組合在一個封裝內(nèi)，以生產(chǎn)條形圖、條形、陣列和七段顯示器等顯示器。

7 段 LED 顯示屏在正確解碼時提供了一種非常方便的方式，以數(shù)字、字母甚至字母數(shù)字字符的形式顯示信息或數(shù)字數(shù)據(jù)，顧名思義，它們由七個單獨的 LED（段）組成，在一個單獨的展示包中。

為了分別產(chǎn)生所需的從0到9和A到F的數(shù)字或字符，需要在顯示屏上點亮 LED 段的正確組合。標準的七段 LED 顯示屏通常有八個輸入連接，每個 LED 段一個，一個用作所有內(nèi)部段的公共端子或連接。

• 共陰極顯示器 (CCD) – 在共陰極顯示器中，LED 的所有陰極連接都連接在一起，并且通過應用高邏輯“1”信號照亮各個段。

• 共陽極顯示器 (CAD) – 在共陽極顯示器中，LED 的所有陽極連接都連接在一起，并且通過將端子連接到低邏輯“0”信號來照亮各個段。

典型的七段 LED 顯示屏

典型七段LED顯示屏

發(fā)光二極管光耦合器

最后，發(fā)光二極管的另一個有用應用是光耦合。也稱為光耦合器或光隔離器，是由發(fā)光二極管與光電二極管、光電晶體管或光電三端雙向可控硅開關組成的單個電子設備，可在輸入之間提供光信號路徑連接和輸出連接，同時保持兩個電路之間的電氣隔離。

光隔離器由一個不透光的塑料體組成，在輸入（光電二極管）和輸出（光電晶體管）電路之間具有高達 5000 伏的典型擊穿電壓。當需要來自低電壓電路（例如電池供電電路、計算機或微控制器）的信號來操作或控制另一個在潛在危險電源電壓下操作的外部電路時，這種電氣隔離特別有用。

光電二極管和光電晶體管光耦合器

光隔離器中使用的兩個組件，一個光發(fā)射器，如發(fā)射紅外線的砷化鎵 LED 和一個光接收器，如光電晶體管，光耦合緊密，并使用光在其輸入之間發(fā)送信號和/或信息和輸出。這允許信息在沒有電氣連接或公共接地電位的電路之間傳輸。

光隔離器是數(shù)字或開關器件，因此它們傳輸“開-關”控制信號或數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬信號可以通過頻率或脈寬調(diào)制來傳輸。

LED的優(yōu)缺點

發(fā)光二極管的優(yōu)點包括以下幾點。

• LED的成本更低，而且很小。

• 通過使用 LED 的電力進行控制。

• LED 的強度在微控制器的幫助下有所不同。

• 長壽命

• 高效節(jié)能

• 無預熱期

• 崎嶇

• 不受低溫影響

• 定向

• 顯色性非常好

• 環(huán)保

• 可控

發(fā)光二極管的缺點包括以下幾點。

• 價錢

• 溫度敏感性

• 溫度依賴性

• 光質(zhì)

• 電極性

• 電壓靈敏度

• 效率下降

• 對昆蟲的影響