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。

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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