详解LED灯珠：发光二极管的发光原理

二极管二三事

在了解LED之前，我们要简单了解一下二极管——不仅仅是发光二极管。

所有的二极管，无论是能发光的还是不能发光的，均有一个明显的工作标签——只能通过一个方向的电流。

这句话要怎么理解呢？我们知道，在直流电路中，电源的正负极是不变的，因此电流的方向也不变。但是在交流电路中，电源的正负极在不停的改变，国内电路中，正负极的变换频率为每秒钟50次（50Hz），正负极改变了，电流的方向也就会随着改变。

这一特性，叫做二极管的“正向性”，又叫“单向导电性”，二极管的发光，就是利用了这一特性。当然，二极管还具有“反向性”和“击穿”等特性，利用这些特性，二极管还可以用于检波、整流、稳压等多种场合。本文不对二极管的其它特性做过多讲解。

那么，二极管为什么会有正向性呢？这与二极管中的一个环节——PN结有关。

PN结

我们先来看一张图：

这是一个完整的二极管，正如图所示，二极管可以分为P区和N区，在P区和N区交界的地方，就叫做PN结。那什么是P区什么是N区呢？

实际上就是两种不同类型的元素——P区硼或铟元素，N区磷或锑元素。常用于制作二极管的材料为硅晶体或锗晶体，于是，在硅晶体中加入含有硼元素的杂质，这一部分就成了P区，加入含有磷元素的杂质，这一部分就成了N区。

为什么会形成P区和N区？这与硼、磷、硅等元素的化学性质有关，以硅和磷为例，当两种元素的原子相遇，就会产生自由电子（带负电荷）；硼和硅相遇，就会产生一个“空穴”，吸引带负电荷的自由电子。

在P区和N区紧密的连接在一起， 在交界的地方，由于P区的空穴较多，N区的电子较多，电子会逐渐向空穴靠拢。电学中规定：电流方向为电子移动的相反方向。因此，在二极管中，电流的方向是从P区流向到N区。

因此，只有当电流从P区流向N区时，才能够正常通过。如果反过来，材料的化学性质决定了，电流无法正常通过。因此，在连接时，P区连接电源正极，N区连接电源负极，电路便可以正常工作。

P——Positive，正；N——Negative，负。

（为了保证大多数人能听懂，我把原理简化了。实际上击穿和反向性，均是利用二极管反向通电。但是与发光二极管无关。）

发光二极管

终于说到发光二极管了，发光二极管的英文名叫做“Light Emitting Diode”，取三个单词的首字母，简称为LED。在LED灯具中，就是指灯具的发光体，俗称“灯珠”。

当二极管正向导电（P接正极N接负极）时，电子从N区涌向P区，在这一过程中，会发生一种现象：学术上的定义叫做“产生自发辐射的荧光”，许多谣言根据这句话就咬定LED灯有辐射。但此辐射非彼辐射，这里的辐射，实际上是一种能量转换——将电能转换成光能（有的物质在工作时发热，有的则发光，这与物质本身的化学性质有关，二极管的特性显然属于后者）。

由于半导体材料和电流大小不同，所发出的光的颜色和亮度也不同，呈现出的光谱，也是从红外线到紫外线。举几个例子：铝磷化镓作为杂质加入N区，可发出绿光；铟氮化镓作为杂质加入P区，可发出蓝光；碳化硅作为底衬，亦可发出蓝光。

这种直接加入元素杂质的方法，只能做出红、绿、黄、蓝四种颜色的光，并且早在上世纪就广泛投入使用， 一般是作为指示灯。

但是真正能够发出白光，作为照明灯使用，投入家庭中，还是在近些年。随着技术的逐步成熟，人们尝试了加入元素调试黄色光、在紫外光上涂抹磷光体等多种尝试。终于，在最近十年，才研制出了真正能够做到低成本、高亮度、高寿命的LED照明产品。

它是通过以硒化锌作为底衬，并将硒化锌放到高真空环境下，利用真空蒸镀技术，使硒化锌表面产生一层硒化锌磊晶层。通电时，磊晶层就发出蓝光，底衬会发出黄光，混合之后，就变成了白光。

6发光二极管（LED）特性及电路应用

1.LED工作原理

以磷化镓或砷化镓等化合物半导体材料制成的二极管，内部流过电流，PN结导通后，电子与空穴复合时能辐射出可见光，以此制成发光二极管。

发光二极管具有节能、体积小、抗震性好、环保、寿命长、光色多样、响应 等优点，广泛应用于照明、汽车、交通、广告牌、仪表指示灯等领域。

LED电路符号

2.LED的分类

发光二极管按结构封装可以分为贴片式和直插式

贴片式：0603、0805、1210、3528，5050、5730等。

直插式：3mm、5mm、8mm、10mm等。

贴片LED和直插LED

1998年利用红、绿、蓝三种LED制成白光LED，是进入照明领域的里程碑事件

此外，还可以按照光照角度分为：高指向型、标准型、散射型。

高指向型：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性。

标准型：通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

散射型：这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3.LED电路应用

一般发光二极管压降为2V左右，标称工作电流为5-20mA，过流则会损坏，所以使用LED时都需要加一个限流电阻，起保护二极管和提供电流的作用。

限流电阻的阻值计算：R＞（U-2V）/20mA；

注：发光二极管的灯光是线性的，实际上几十微安的电流就可以点亮LED，在对亮度没有特殊要求的场合，如仅作指示灯用，出于产品功耗考虑，可以增大限流电阻，工作电流低于5mA没有问题，并且电流越小LED灯越耐用。

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