發(fā)光二極管的工作原理是什么?為什么可以發(fā)出不同顏色的光?
今天給大家講一下發(fā)光二極管。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202408/461779.htm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
評(píng)論