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(lèi)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(guò)發(fā)光二極管（LED）時(shí)，發(fā)光二極管（LED）允許電流正向流動(dòng)，并且阻止電流反向流動(dòng)。

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。根據所使用的半導體1材料和摻雜量，當正向偏置時(shí)，發(fā)光二極管（LED）將發(fā)出特定光譜波長(cháng)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(lái)。

發(fā)光二極管實(shí)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(gè)小箭頭表示光的發(fā)射，因此稱(chēng)為發(fā)光二極管（LED）。發(fā)光二極管包括兩個(gè)端子，即陽(yáng)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分？

這個(gè)在我之前的文章里面有詳細的講解，可以直接點(diǎn)擊下面這個(gè)文章。

二極管怎么區分正負極

這里簡(jiǎn)單地講一下。

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

• 引腳相同的情況下，LED管體內極小的金屬為正極，大塊的為負極。

• 貼片式發(fā)光二極管，一般都有一個(gè)小凸點(diǎn)區分正負極，有特殊標記為負極，無(wú)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(diǎn)擊進(jìn)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(shí)發(fā)光，當在結上施加電壓以使其正向偏置時(shí)，電流就像在任何 PN 結的情況下一樣流動(dòng)。來(lái)自 p 型區域的空穴和來(lái)自 n 型區域的電子進(jìn)入結并像普通二極管一樣重新組合以使電流流動(dòng)。當這種情況發(fā)生時(shí)，能量被釋放，其中一些以光子的形式出現。

發(fā)現大部分光是從靠近 P 型區域的結區域產(chǎn)生的。因此，二極管的設計使得該區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(guò)程。

• 從上圖中，我們可以觀(guān)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(dòng)空穴。

• 結處的電子和空穴結合在一起。

• 隨著(zhù)電子和空穴的重新結合，光子被釋放出來(lái)。

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(cháng)的顏色。

不同的 LED 化合物在可見(jiàn)光譜的特定區域發(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(cháng)，從而決定發(fā)射光的顏色。

發(fā)光二極管的實(shí)際顏色取決于所發(fā)射光的波長(cháng)，而該波長(cháng)又取決于制造過(guò)程中用于形成 PN 結的實(shí)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(zhù)色以增強光輸出并在其未被電源照亮時(shí)指示其顏色。

發(fā)光二極管材料

為了產(chǎn)生可以看見(jiàn)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(jiǎn)單的元素，但這些材料制成的PN結不會(huì )發(fā)光。相反，包括砷化鎵、磷化鎵和磷化銦在內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(shí)會(huì )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(jiàn)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(xiàn)

• 砷化鎵磷化物 (GaAsP) – 紅色至紅外線(xiàn)，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(xiàn)、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(xiàn)

更加具體的大家可以看下面這個(gè)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(cháng)。

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(lèi)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(cháng)輻射、光強度。LED的重要特性是顏色。在開(kāi)始使用 LED 時(shí)，只有紅色。隨著(zhù)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(chē)和汽車(chē)

• 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(guò)簡(jiǎn)單地使用歐姆定律計算得出，通過(guò)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(guò)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(gè)計算表明，要將流過(guò) LED 的電流精確地限制在 10mA，我們需要一個(gè)300Ω的電阻器。在E12系列電阻中沒(méi)有300Ω電阻，因此我們需要選擇下一個(gè)最高值，即330Ω?？焖僦匦掠嬎泔@示新的正向電流值現在為 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，以增加所需的數量或在顯示器中使用時(shí)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(gè)流過(guò)它們。由于所有串聯(lián)的 LED 都通過(guò)相同的電流，因此通常最好是它們都具有相同的顏色或類(lèi)型。

發(fā)光二極管串聯(lián)電路圖

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

如果我們還假設三個(gè) LED 由同一個(gè) 5 V邏輯器件點(diǎn)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(méi)有140Ω電阻器，因此我們需要選擇下一個(gè)最高值，即150Ω。

用于偏置的發(fā)光二極管電路

大多數 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的電流流動(dòng)，因此它可以正常工作。類(lèi)似地，如果施加到 LED 的電壓高于工作電壓，則發(fā)光二極管內的耗盡區將由于高電流而擊穿。這種意想不到的高電流會(huì )損壞設備。

這可以通過(guò)將電阻與電壓源和 LED 串聯(lián)來(lái)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(chēng)為限流電阻器，因為該電阻器限制電流的流動(dòng)，否則 LED 可能會(huì )損壞它。所以這個(gè)電阻在保護LED方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。

流過(guò) LED 的電流可以寫(xiě)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(guò)使用高電壓來(lái)操作。

發(fā)光二極管比硅或鍺二極管消耗更多的能量來(lái)工作。

發(fā)光二級管驅動(dòng)電路

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

通過(guò)上面應該已經(jīng)很明白了，無(wú)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 驅動(dòng)發(fā)光二極管的一些示例，但對于任何類(lèi)型的集成電路輸出，無(wú)論是組合的還是順序的，其想法都是相同的。

IC發(fā)光二極管驅動(dòng)電路

IC驅動(dòng)LED電路圖

如果多個(gè)LED需要同時(shí)驅動(dòng)，例如在大型 LED 陣列中，或者集成電路的負載電流過(guò)高，或者只使用分立元件而不是IC。那么另一種驅動(dòng)方式下面給出了使用雙極 NPN 或 PNP 晶體管作為開(kāi)關(guān)的 LED。和以前一樣，需要一個(gè)串聯(lián)電阻R S來(lái)限制 LED 電流。

晶體管驅動(dòng)電路

晶體管LED驅動(dòng)電路

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

在節電很重要的情況下，可以使用更少的電流。但是，將電流降低到 5mA 以下可能會(huì )使其光輸出變暗，甚至將 LED 完全“關(guān)閉”?？刂?LED 亮度的更好方法是使用稱(chēng)為“脈沖寬度調制”或 PWM 的控制過(guò)程，其中 LED 根據所需的光強度以不同的頻率重復“打開(kāi)”和“關(guān)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(shí)，具有相當短占空比（“ON-OFF”比）的脈沖寬度調制電流允許二極管電流，因此在實(shí)際脈沖期間輸出光強度顯著(zhù)增加，同時(shí)仍保持 LED “平均電流水平”和安全范圍內的功耗。

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

LED顯示屏

除了單色或多色 LED 外，多個(gè)發(fā)光二極管還可以組合在一個(gè)封裝內，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(shí)提供了一種非常方便的方式，以數字、字母甚至字母數字字符的形式顯示信息或數字數據，顧名思義，它們由七個(gè)單獨的 LED（段）組成，在一個(gè)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的數字或字符，需要在顯示屏上點(diǎn)亮 LED 段的正確組合。標準的七段 LED 顯示屏通常有八個(gè)輸入連接，每個(gè) LED 段一個(gè)，一個(gè)用作所有內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(guò)應用高邏輯“1”信號照亮各個(gè)段。

• 共陽(yáng)極顯示器 (CAD) – 在共陽(yáng)極顯示器中，LED 的所有陽(yáng)極連接都連接在一起，并且通過(guò)將端子連接到低邏輯“0”信號來(lái)照亮各個(gè)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(gè)有用應用是光耦合。也稱(chēng)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(kāi)關(guān)組成的單個(gè)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(shí)保持兩個(gè)電路之間的電氣隔離。

光隔離器由一個(gè)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(lái)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(lái)操作或控制另一個(gè)在潛在危險電源電壓下操作的外部電路時(shí)，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(gè)組件，一個(gè)光發(fā)射器，如發(fā)射紅外線(xiàn)的砷化鎵 LED 和一個(gè)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(méi)有電氣連接或公共接地電位的電路之間傳輸。

光隔離器是數字或開(kāi)關(guān)器件，因此它們傳輸“開(kāi)-關(guān)”控制信號或數字數據。模擬信號可以通過(guò)頻率或脈寬調制來(lái)傳輸。

LED的優(yōu)缺點(diǎn)

發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

• LED的成本更低，而且很小。

• 通過(guò)使用 LED 的電力進(jìn)行控制。

• LED 的強度在微控制器的幫助下有所不同。

• 長(cháng)壽命

• 高效節能

• 無(wú)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(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

• 價(jià)錢(qián)

• 溫度敏感性

• 溫度依賴(lài)性

• 光質(zhì)

• 電極性

• 電壓靈敏度

• 效率下降

• 對昆蟲(chóng)的影響