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。

图片来源于网络

简单明了的讲透二极管，发光二极管led

今天我们将一起学习常用的半导体器件：二极管。

二极管是最基本的半导体器件。

首先来了解下二极管的结构。

这是一块电梯分频器线路板，板上有很多器件，红线框里的器件就是二极管。

它是一种半导体器件,那什么是半导体器件呢？

我们都知道，物质按导电性能好坏可以分成三类。导电性能好的，称为导体。导电性能差的，称为绝缘体。而还有一类物质，导电性能处于导体与绝缘体之间，这就是半导体。硅和锗是最常见的半导体材料。

半导体的导电能力受很多因素影响。

首先，温度升高时，半导体导电能力增强，据此，可以制成热敏电阻。

热敏电阻

受光照射时，半导体导电能力增强，比如常见的光敏电阻、光电三极管等。

在纯净的半导体中掺入杂质元素也会增强其导电能力，掺入微量三价硼元素，可以得到以带正电的空穴为多数载流子的P型半导体。掺入微量五价磷元素，就得到以带负电的自由电子为多数载流子的N型半导体。

热敏性、光敏性和掺杂性就是半导体的导电特性。

用半导体材料制成的器件就是半导体器件。

将P型半导体和N型半导体结合在一起，在它们的交界处会形成一个薄层，称为PN结。

PN结在电路中的作用与单向阀在水路中的作用相似，当水流正向冲击阀门时，阀门打开，水流通过，当水流反向冲击阀门时，阀门被反向压紧，水流截止。

PN结的这一特性称为单向导电性。从PN结两端各引出一条引脚，再将PN结封装在管壳里，就形成了一个二极管。P区引出的引脚为正极，N区引出的为负极。通常，用字母“VD”来表示二极管。

二极管实质上就是一个PN结。

那二极管是否也具有单向导电性呢？

下面，我们通过一个实验来研究二极管的工作特性。这是一个二极管与灯泡、开关串联的电路。

第一步，请观察二极管加正向电压时。即二极管的正极接电源正极，二极管的负极接电源负极时

闭合开关后灯泡的状态，闭合开关，灯泡点亮，表明二极管加正向电压时导通。

第二步，对调二极管，请观察二极管加反向电压，即二极管的负极接电源正极，二极管的正极接电源负极时

闭合开关，灯泡的状态。灯泡不亮，表明二极管加反向电压时截止。

由实验可知：二极管具有单向导电性,加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。

以上是对二极管工作特性的定性分析，而具体的参数就需要分析二极管的伏安特性曲线图。

伏安特性反映的是二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系，可以分为正向特性和反向特性。

下面我们先来分析正向特性，即U＞0的部分。这一区域内，一开始二极管虽然加正向电压，电流却很小，近似为零，二极管不导通，我们称这一区域为死区。

当正向电压大于某一电压值A点时，二极管才能导通，A点电压就称之为死区电压。锗管的死区电压约为0.2V，硅管的约为0.5V。

随着电压继续增大，电流也急剧增大，二极管导通，进入导通区。此时，B点之后二极管两端的电压基本不变，B点电压即为导通电压。锗管的导通电压约为0.3V，硅管约为0.7V。

其次，反向特性，即U<0的部分。此部分中，随着反向电压增大，电流非常小，近似为0，二极管截止，进入截止区。反向电压继续增大，反向电流也急剧增大。说明二极管失去单向导电性，二极管进入击穿区。

图中A′点电压为反向击穿电压，击穿后，二极管两端电压基本不变。

二极管工作在不同区域,可以完成整流、检波、钳位、限幅、开关、稳压、续流等多种功能。

下面，我们一起来认识几种常见的二极管。

根据功能的不同，常见的二极管有整流二极管、开关二极管、发光二极管、稳压二极管等种类。大多数二极管应避免工作在击穿区，否则，会因电流过大损坏管子。

而稳压二极管则是工作在反向击穿区的。电路中，稳压二极管利用反向击穿状态下，电流在很大范围内变化而电压基本不变的现象，起到稳压、限压、保护等作用。其图形符号与普通二极管略有不同，用字母VZ表示。

常见的稳压二极管有玻璃封装、塑料封装和金属封装三种。使用时，应注意，反向接入电路，同时，为保证工作电流和稳定电压，需要通过计算合理的选择限流电阻。

生活中，还有一种二极管能扮靓城市夜空，为我们带来美好的视觉享受。它除了具有单向导电性之外，还能将电能转换成光能，这就是发光二极管，简称LED。

与普通二极管一样，发光二极管工作在正向导通区，图形符号中多了两个向外的箭头表示发光。导通电压在1.5-3V之间。

LED被称为第四代光源，因其节能、高亮度、低热度、寿命长等特点深受人们喜爱，被广泛应用在各种信号灯、大型显示屏和照明光源中。

使用时，发光二极管应正向接入电路，同时，为保证二极管的工作，也需要通过计算合理的选择限流电阻。

总结，今天我们知道了二极管实际就是一个PN结；二极管具有单向导电性；同时认识了两种特殊的二极管；二极管是最简单也是最常用的半导体器件，它是整流、稳压等电路的组成部分。掌握好二极管的相关知识，是我们分析电子电路的基础。

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