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?yàn)榘l(fā)光二極管具有與PN結(jié)二極管非常相似的電氣特性。當(dāng)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(dāng)重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料制成。根據(jù)所使用的半導(dǎo)體1材料和摻雜量，當(dāng)正向偏置時(shí)，發(fā)光二極管（LED）將發(fā)出特定光譜波長(zhǎng)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(hào)

發(fā)光二極管符號(hào)與二極管符號(hào)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(hào)如下所示。

發(fā)光二極管符號(hào)

發(fā)光二極管正負(fù)極怎么區(qū)分？

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

二極管怎么區(qū)分正負(fù)極

這里簡(jiǎn)單地講一下。

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

• 貼片式發(fā)光二極管，一般都有一個(gè)小凸點(diǎn)區(qū)分正負(fù)極，有特殊標(biāo)記為負(fù)極，無(wú)特殊標(biāo)記為正極。

發(fā)光二極管正負(fù)極性判斷圖

發(fā)光二極管正負(fù)極性判斷圖

發(fā)光二極管怎么測(cè)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(cè)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(dāng)在結(jié)上施加電壓以使其正向偏置時(shí)，電流就像在任何 PN 結(jié)的情況下一樣流動(dòng)。來(lái)自 p 型區(qū)域的空穴和來(lái)自 n 型區(qū)域的電子進(jìn)入結(jié)并像普通二極管一樣重新組合以使電流流動(dòng)。當(dāng)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(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)大部分光是從靠近 P 型區(qū)域的結(jié)區(qū)域產(chǎn)生的。因此，二極管的設(shè)計(jì)使得該區(qū)域盡可能靠近器件的表面，以確保結(jié)構(gòu)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(lán)色的，它包含空穴，它們由白色圓圈表示。

• pn結(jié)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(jié)處的電子和空穴結(jié)合在一起。

• 隨著電子和空穴的重新結(jié)合，光子被釋放出來(lái)。

發(fā)光二級(jí)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(dǎo)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(zhǎng)的顏色。

不同的 LED 化合物在可見(jiàn)光譜的特定區(qū)域發(fā)光，因此產(chǎn)生不同的強(qiáng)度水平。所用半導(dǎo)體材料的準(zhǔn)確選擇將決定光子發(fā)射的總波長(zhǎng)，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(zhǎng)，而該波長(zhǎng)又取決于制造過(guò)程中用于形成 PN 結(jié)的實(shí)際半導(dǎo)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(qiáng)光輸出并在其未被電源照亮?xí)r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(jié)并且必須選擇正確的材料。常用的半導(dǎo)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(jié)不會(huì)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(dǎo)體是化合物半導(dǎo)體，由這些材料制成的結(jié)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(dǎo)體中以產(chǎn)生砷化鋁鎵 (AlGaAs)，也可以添加磷以發(fā)出紅光。對(duì)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(dǎo)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(lán)綠色和藍(lán)色

• 碳化硅 (SiC) – 藍(lán)色作為基材

• 硒化鋅 (ZnSe) – 藍(lán)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(zhǎng)。

發(fā)光二極管顏色材料對(duì)應(yīng)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(zhǎng)輻射、光強(qiáng)度。LED的重要特性是顏色。在開(kāi)始使用 LED 時(shí)，只有紅色。隨著半導(dǎo)體工藝的幫助，LED的使用量增加，對(duì)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(yīng)用

LED 有很多應(yīng)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(jī)中用于顯示消息

• 在紅綠燈信號(hào)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(jì)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(yù)期正向電壓降V F在所需的電流水平，限流電阻計(jì)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(jì)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(jì)算，還要計(jì)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(jì)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?jì)算顯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(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(jì)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(shè)每個(gè) LED 在點(diǎn)亮?xí)r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(shè)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(jì)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(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(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(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(huì)損壞設(shè)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(shè)置在電壓源和 LED 之間的電阻器稱(chēng)為限流電阻器，因?yàn)樵撾娮杵飨拗齐娏鞯牧鲃?dòng)，否則 LED 可能會(huì)損壞它。所以這個(gè)電阻在保護(hù)LED方面起著關(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(qū)的勢(shì)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(jí)管驅(qū)動(dòng)電路

TTL 和 CMOS 邏輯門(mén)的輸出級(jí)都可以提供和吸收有用的電流量，因此可用于驅(qū)動(dòng) LED。普通集成電路 (IC) 在灌入模式配置中具有高達(dá) 50mA 的輸出驅(qū)動(dòng)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(guò)上面應(yīng)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(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的一些示例，但對(duì)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(qū)動(dòng)電路

IC驅(qū)動(dòng)LED電路圖

如果多個(gè)LED需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)，例如在大型 LED 陣列中，或者集成電路的負(fù)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(qū)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(qū)動(dòng)電路

晶體管LED驅(qū)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(dǎo)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(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(diào)制”或 PWM 的控制過(guò)程，其中 LED 根據(jù)所需的光強(qiáng)度以不同的頻率重復(fù)“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。

使用PWM的發(fā)光二極管光強(qiáng)度

PWM的LED光強(qiáng)度圖

當(dāng)需要更高的光輸出時(shí)，具有相當(dāng)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(shí)際脈沖期間輸出光強(qiáng)度顯著增加，同時(shí)仍保持 LED “平均電流水平”和安全范圍內(nèi)的功耗。

這種“開(kāi)-關(guān)”閃爍條件不會(huì)影響人眼所見(jiàn)，因?yàn)樗疤畛洹绷恕伴_(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(xù)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(qiáng)度的連續(xù)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(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(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)，顧名思義，它們由七個(gè)單獨(dú)的 LED（段）組成，在一個(gè)單獨(dú)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(diǎn)亮 LED 段的正確組合。標(biāo)準(zhǔn)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(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(guò)應(yīng)用高邏輯“1”信號(hào)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(hào)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(yīng)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(shè)備，可在輸入之間提供光信號(hào)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(dá) 5000 伏的典型擊穿電壓。當(dāng)需要來(lái)自低電壓電路（例如電池供電電路、計(jì)算機(jī)或微控制器）的信號(hào)來(lái)操作或控制另一個(gè)在潛在危險(xiǎn)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(hào)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(shù)字或開(kāi)關(guān)器件，因此它們傳輸“開(kāi)-關(guān)”控制信號(hào)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬信號(hào)可以通過(guò)頻率或脈寬調(diào)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(qiáng)度在微控制器的幫助下有所不同。

• 長(zhǎng)壽命

• 高效節(jié)能

• 無(wú)預(yù)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(duì)昆蟲(chóng)的影響