发光二极管的工作原理是什么？为什么可以发出不同颜色的光？

大家好，我是李工，希望大家多多支持我。

今天给大家讲一下发光二极管。

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，因为发光二极管具有与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，发光二极管（LED）允许电流正向流动，并且阻止电流反向流动。

发光二极管由非常薄的一层但相当重掺杂的半导体材料制成。

发光二极管实物图

发光二极管电路符号

发光二极管符号与二极管符号相似，只是有两个小箭头表示光的发射 ，因此称为发光二极管（LED）。发光二极管包括两个端子，即阳极（+）和阴极（-），发光二极管的符号如下所示。

发光二极管符号

发光二极管正负极怎么区分？

这个在我之前的文章里面有详细的讲解，可以直接点击下面这个文章。

二极管怎么区分正负极

这里简单地讲一下。

发光二极管正负极性判断图

发光二极管正负极性判断图

发光二极管怎么测好坏？

更为具体的，大家可以去看我的这篇文章，直接点击进入就可以了。

二极管怎么测好坏？

发光二极管的工作原理

发光二极管在正向偏置时发光，当在结上施加电压以使其正向偏置时，电流就像在任何 PN 结的情况下一样流动。来自 p 型区域的空穴和来自 n 型区域的电子进入结并像普通二极管一样重新组合以使电流流动。当这种情况发生时，能量被释放，其中一些以光子的形式出现。

发现大部分光是从靠近 P 型区域的结区域产生的。因此，二极管的设计使得该区域尽可能靠近器件的表面，以确保结构中吸收的光量最少。具体的原理可以看下图。

发光二极管工作原理图

上图显示了发光二极管的工作原理以及该图的分布过程。

发光二级管原理图

发光二极管怎么发出不同颜色的光？

发光二极管 由特殊半导体化合物制成，例如砷化镓 (GaAs)、磷化镓 (GaP)、砷化镓磷化物 (GaAsP)、碳化硅 (SiC) 或氮化镓铟 (GaInN) 都以不同的比例混合在一起，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，因此产生不同的强度水平。所用半导体材料的准确选择将决定光子发射的总波长，从而决定发射光的颜色。

发光二极管的实际颜色取决于所发射光的波长，而该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，尽管这些塑料体略微着色以增强光输出并在其未被电源照亮时指示其颜色。

发光二极管材料

为了产生可以看见的光，必须优化PN结并且必须选择正确的材料。常用的半导体材料包括硅和锗，都是一些简单的元素，但这些材料制成的PN结不会发光。相反，包括砷化镓、磷化镓和磷化铟在内的化合物半导体是化合物半导体，由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，为了将光发射带入光谱的可见红色端，将铝添加到半导体中以产生砷化铝镓 (AlGaAs)，也可以添加磷以发出红光。对于其他颜色，则使用其他材料。例如，磷化镓发出绿光，而铝铟镓磷化物则用于发出黄光和橙光，大多数发光二极管基于镓半导体。

不同发光二极管的材料

更加具体的大家可以看下面这个图，下图涵盖了发光二极管的材料，发光二极管颜色，发光二极管工作电压、发光二极管波长。

发光二极管颜色材料对应图

发光二极管VI特性

目前有不同类型的发光二极管可供选择，并且拥有不同的LED 特性，包括颜色光或波长辐射、光强度。LED的重要特性是颜色。 在开始使用 LED 时，只有红色。随着半导体工艺的帮助，LED的使用量增加，对LED新金属的研究，形成了不同的颜色。

发光二极管VI特性图

发光二极管的应用

LED 有很多应用，下面将解释其中的一些。

发光二极管串联电阻电路

串联电阻值R S可以通过简单地使用欧姆定律计算得出，通过知道 LED 所需的正向电流I F、组合两端的电源电压V S和 LED 的预期正向电压降V F在所需的电流水平，限流电阻计算如下：

LED串联电阻电路

发光二极管示例

正向压降为 2 伏的琥珀色 LED 将连接到 5.0v 稳定直流电源。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值。如果使用 100Ω 串联电阻而不是先计算，还要计算流过二极管的电流。

1）串联电阻需要在 10mA 。

发光二极管串联电阻公式

2）用100Ω串联电阻。

发光二极管串联电流公式

上面的第一个计算表明，要将流过 LED 的电流精确地限制在 10mA，我们需要一个300Ω的电阻器。在E12系列电阻中没有300Ω电阻，因此我们需要选择下一个最高值，即330Ω。快速重新计算显示新的正向电流值现在为 9.1mA。

发光二极管串联电路

我们可以将 LED 串联在一起，以增加所需的数量或在显示器中使用时增加亮度。与串联电阻一样，串联的 LED 都具有相同的正向电流，IF仅作为一个流过它们。由于所有串联的 LED 都通过相同的电流，因此通常最好是它们都具有相同的颜色或类型。

发光二极管串联电路图

虽然 LED 串联链中流过相同的电流，但在计算所需的限流电阻R S电阻时，需要考虑它们之间的串联压降。如果我们假设每个 LED 在点亮时都有一个 1.2 伏的电压降，那么这三个 LED 上的电压降将为 3 x 1.2v = 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大约 10 毫安的正向电流，同上。然后电阻两端的电压降RS及其电阻值将计算为：

发光二极管串联公式

同样，在E12（10% 容差）系列电阻器中没有140Ω电阻器，因此我们需要选择下一个最高值，即150Ω。

用于偏置的发光二极管电路

大多数 LED 的额定电压为 1 伏至 3 伏，而正向电流额定值为 200 毫安至 100 毫安。

用于偏置的发光二极管电路图

LED 偏压如果向 LED 施加电压（1V 至 3V），则由于施加的电压在工作范围内的电流流动，因此它可以正常工作。类似地，如果施加到 LED 的电压高于工作电压，则发光二极管内的耗尽区将由于高电流而击穿。这种意想不到的高电流会损坏设备。

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

这里，设置在电压源和 LED 之间的电阻器称为限流电阻器，因为该电阻器限制电流的流动，否则 LED 可能会损坏它。所以这个电阻在保护LED方面起着关键作用。

流过 LED 的电流可以写成：

IF = Vs – VD/Rs

'IF' 是正向电流

“Vs”是电压源

“VD”是发光二极管两端的电压降

“Rs”是限流电阻

电压量下降以破坏耗尽区的势垒。LED 电压降范围为 2V 至 3V，而 Si 或 Ge 二极管为 0.3，否则为 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。

发光二级管驱动电路

TTL 和 CMOS 逻辑门的输出级都可以提供和吸收有用的电流量，因此可用于驱动 LED。普通集成电路 (IC) 在灌入模式配置中具有高达 50mA 的输出驱动电流，但在源极模式配置中具有约 30mA 的内部限制输出电流。

通过上面应该已经很明白了，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 IC 驱动发光二极管的一些示例，但对于任何类型的集成电路输出，无论是组合的还是顺序的，其想法都是相同的。

IC发光二极管驱动电路

IC驱动LED电路图

如果多个LED需要同时驱动，例如在大型 LED 阵列中，或者集成电路的负载电流过高，或者只使用分立元件而不是IC。那么另一种驱动方式下面给出了使用双极 NPN 或 PNP 晶体管作为开关的 LED。和以前一样，需要一个串联电阻R S来限制 LED 电流。

晶体管驱动电路

晶体管LED驱动电路

发光二极管的亮度不能通过简单地改变流过它的电流来控制。允许更多电流流过 LED 会使其发光更亮，但也会导致其散发更多热量。LED 旨在产生一定数量的光，工作在大约 10 至 20mA 的特定正向电流下。

在节电很重要的情况下，可以使用更少的电流。但是，将电流降低到 5mA 以下可能会使其光输出变暗，甚至将 LED 完全“关闭”。控制 LED 亮度的更好方法是使用称为“脉冲宽度调制”或 PWM 的控制过程，其中 LED 根据所需的光强度以不同的频率重复“打开”和“关闭”。

使用PWM的发光二极管光强度

PWM的LED光强度图

当需要更高的光输出时，具有相当短占空比（“ON-OFF”比）的脉冲宽度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着增加，同时仍保持 LED “平均电流水平”和安全范围内的功耗。

这种“开-关”闪烁条件不会影响人眼所见，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，频率为 100Hz 或更高的脉冲实际上在眼睛看来比具有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，多个发光二极管还可以组合在一个封装内，以生产条形图、条形、阵列和七段显示器等显示器。

7 段 LED 显示屏在正确解码时提供了一种非常方便的方式，以数字、字母甚至字母数字字符的形式显示信息或数字数据，顾名思义，它们由七个单独的 LED（段）组成，在一个单独的展示包中。

为了分别产生所需的从0到9和A到F的数字或字符，需要在显示屏上点亮 LED 段的正确组合。标准的七段 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。

典型的七段 LED 显示屏

典型七段LED显示屏

发光二极管光耦合器

最后，发光二极管的另一个有用应用是光耦合 。也称为光耦合器或光隔离器，是由发光二极管与光电二极管、光电晶体管或光电三端双向可控硅开关组成的单个电子设备，可在输入之间提供光信号路径连接和输出连接，同时保持两个电路之间的电气隔离。

光隔离器由一个不透光的塑料体组成，在输入（光电二极管）和输出（光电晶体管）电路之间具有高达 5000 伏的典型击穿电压。当需要来自低电压电路（例如电池供电电路、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操作的外部电路时，这种电气隔离特别有用。

光电二极管和光电晶体管光耦合器

光隔离器中使用的两个组件，一个光发射器，如发射红外线的砷化镓 LED 和一个光接收器，如光电晶体管，光耦合紧密，并使用光在其输入之间发送信号和/或信息和输出。这允许信息在没有电气连接或公共接地电位的电路之间传输。

光隔离器是数字或开关器件，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宽调制来传输。

LED的优缺点

发光二极管 的优点包括以下几点。

发光二极管 的缺点包括以下几点。

以上就是关于发光二极管的一些基础知识及工作原理，大家有什么疑问，欢迎在评论区留言。

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二极管是啥都不知道？还当什么电子工程师，此文满足我的好奇心！

小伙伴们，大家好！我是小马哥。昨天和几个朋友一起吃饭，聊天过程中说到了二极管，旁边一妹子突然来了一句，二极管是啥，在做的几位顿时语噻，支支吾吾：灯泡？LED？发光管？反正傻傻说不清楚，其中还有一位是学电子的，说起二极管，大家都想起这个吧。

发光二极管在我们生活中是比较常见的，比如说：商业的走字灯，交通灯，LED屏幕，LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

发光二极管只是二极管其中之一，还有许多不同用途的二极管：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见，都用在交流转直流的电路中：手机充电器，电脑充电器，电动车充电器等等。

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能，单向导电性，就是说电流只能从二极管的阳极进去，负极出去，反过来就不行了。为什么呢？二极管中有个叫PN结的东西，就是它阻止了电流逆流。接下来小马哥就给小伙伴们讲讲PN 结。

自然界中的物质，按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体，半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。

常用的半导体材料有四价硅和锗（zhě）。什么是四价啊，就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体，其导电能力较差，不能直接用来制造半导体器件，在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素（硼），另一边掺入五价元素（磷），就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗有外层有四个电子，少了一个怎么办呀？那就形成了空穴，这个就是P型半导体。于是，P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素（磷）有五个电子，多一个怎么办？多出的一个电子几乎不受束缚，它就自由了，叫它自由电子，这个就是N型半导体。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区内自由电子多称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，就像一滴墨水滴在清水中，墨水本身浓度高，就往周围扩散，这就是扩散运动，P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇，然后复合。什么是复合啊，把空穴比作房子，房子里面要住人啊，这时候自由电子就比作人了，然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动，为啥呀？因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场，扩散运动的进行使空间电荷区变宽，内电场也变强了。

这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，扩散就不容易进行下去；另一方面使空穴（少子）从N区往P区漂移，自由电子从P区往N区漂移，这个漂移可不是汽车漂移，是受N区高电势，P区低电势的内电场影响产生漂移，叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极，N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷区慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管也就导通了，这时候的电压称为导通电压。

反之把P区引脚加电源负极，N区引脚连接电源正极，这时候电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场使得空间电荷区变宽，空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，由于电流非常小，这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁，这时候的电压成为击穿电压，这时候二极管就没用了。

二极管加正向偏置电压，死区OA区，由于正向电压比较小，二极管不导通，几乎没有电流，呈高阻状态，此时二极管两端的电压为死区电压，硅二极管为0.5V（锗管为0.1v），当正向电压高于一定的数值后，二极管中的电流随着电压的升高而增大，二极管导通，这时候的电压称为导通电压，也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V（锗管为0.2v），导通时二极管两端的电压保持不变，硅管0.7V（锗管为0.3v），这时候称为正向压降。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同，比如说镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等。然后加上引脚，用环氧树脂封装起来，通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性，稳压二极管都是串联在电路中，当稳压二极管被击穿，尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。

在接二极管还要注意正负极，一般看外观来说，长引脚为正极，短引脚为负极，有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测，把万用表调到二极管档，红黑表笔分别接二极管的两端，若此时万用表的读数小于1，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”，则黑表笔一端为正极。

好了二极管PN结介绍完了，由于篇幅有限，至于二极管为什么会发出不同颜色的光，还能不停的闪来闪去等等咱们下一期再介绍！

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