发光二极管LED：点亮世界的半导体奇迹，从原理到多元应用全解析

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发光二极管是最常见的半导体二极管类型。当有正向电流通过时，它们会发出带宽相当窄的光，可能是不同颜色波长的可见光、用于遥控器的不可见红外线，或者激光。







“发光二极管”，通常简称为 LED，本质上只是一种特殊类型的二极管，因为它们的电气特性与 PN 结二极管非常相似。这意味着 LED 在正向会导通电流，但在反向会阻止电流流动。
发光二极管由一层非常薄且掺杂程度较高的半导体材料制成。根据所使用的半导体材料以及掺杂量的不同，当正向偏置时，LED 会在特定的光谱波长下发出彩色光。
当二极管正向偏置时，半导体导带中的电子与价带中的空穴复合，释放出足够的能量产生光子，从而发出单色（单一颜色）光。由于这层很薄，相当数量的这些光子能够离开结并向外辐射，产生彩色光输出。
发光二极管结构






那么我们可以说，当在正向偏置方向工作时，发光二极管是将电能转换为光能的半导体器件。
发光二极管的结构与普通信号二极管有很大不同。LED 的 PN 结被一个透明、坚硬的塑料环氧树脂半球形外壳或主体包围，这保护 LED 免受振动和冲击。
令人惊讶的是，LED 结实际上并不会发出那么多光，所以环氧树脂主体的构造方式使得结发出的光子从二极管所连接的周围基板反射开，并通过 LED 的圆顶顶部向上聚焦，圆顶本身就像一个透镜，聚集光线。这就是为什么在 LED 顶部发出的光看起来最亮。
然而，并非所有的 LED 都采用半球形圆顶作为其环氧树脂外壳。一些指示用的 LED 具有矩形或圆柱形结构，顶部是平面，或者其主体形状像条形或箭头。一般来说，所有的 LED 都制造有两条从主体底部伸出的引脚。
此外，几乎所有现代发光二极管的阴极（-）端子都通过主体上的凹槽或平面，或者阴极引脚比另一个引脚短来标识，因为阳极（+）引脚比阴极（k）引脚长。
与正常的白炽灯和灯泡在点亮时会产生大量热量不同，发光二极管产生 “冷” 光，这使其比普通 “灯泡” 效率更高，因为大部分产生的能量在可见光谱内辐射出去。由于 LED 是固态器件，它们可以非常小且耐用，并且比普通光源的使用寿命长得多。
发光二极管的颜色

那么发光二极管是如何获得其颜色的呢？与用于检测或功率整流、由锗或硅半导体材料制成的普通信号二极管不同，发光二极管由特殊的半导体化合物制成，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）、碳化硅（SiC）或氮化镓铟（GaInN），这些化合物以不同比例混合在一起，产生特定波长的颜色。
不同的 LED 化合物在可见光光谱的特定区域发光，因此产生不同的强度级别。所使用的半导体材料的确切选择将决定光子发射的整体波长，从而决定发出光的最终颜色。
发光二极管颜色






中文如下

半导体材料	波长	颜色	20mA 时的 VF
GaAs	850 - 940nm	红外线	1.2v
GaAsP	630 - 660nm	红色	1.8v
GaAsP	605 - 620nm	琥珀色	2.0v
GaAsP:N	585 - 595nm	黄色	2.2v
AlGaP	550 - 570nm	绿色	3.5v
SiC	430 - 505nm	蓝色	3.6v
GaInN	450nm	白色	4.0v

因此，发光二极管发出的实际颜色由发出光的波长决定，而这又由制造过程中形成 PN 结所使用的实际半导体化合物决定。
所以，LED 发出光的颜色不是由其塑料主体的颜色决定的，尽管这些主体会有轻微的颜色，既是为了增强光输出，也是为了在未通电时指示其颜色。
发光二极管有各种各样的颜色，最常见的是红色、琥珀色、黄色和绿色，因此广泛用作视觉指示器和移动灯光显示。
最近开发的蓝色和白色 LED 也有供应，但由于在半导体化合物中以精确比例混合两种或更多互补颜色的生产成本，以及在掺杂过程中向晶体结构中注入氮原子的成本，这些 LED 往往比普通标准颜色的 LED 贵得多。
从上面的表格中我们可以看到，在发光二极管制造中使用的主要 P 型掺杂剂是镓（Ga，原子序数 31），主要的 N 型掺杂剂是砷（As，原子序数 33），形成了砷化镓（GaAs）晶体结构。
单独使用砷化镓作为半导体化合物的问题是，当正向电流流过时，其结会辐射出大量低亮度的红外线（大约 850nm - 940nm）。
它产生的红外线量对于电视遥控器来说是可以的，但如果我们想将 LED 用作指示灯，就不太有用了。但是通过添加磷（P，原子序数 15）作为第三种掺杂剂，发射辐射的整体波长被降低到 680nm 以下，从而对人眼来说是可见的红色光。PN 结掺杂过程的进一步改进产生了如我们上面所见的跨越可见光谱的一系列颜色，以及红外线和紫外线波长。
通过混合各种半导体、金属和气体化合物，可以生产出以下一系列的 LED。
发光二极管的类型

• 砷化镓（GaAs） - 红外线
  
• 磷砷化镓（GaAsP） - 红色到红外线、橙色
  
• 铝镓砷磷（AlGaAsP） - 高亮度红色、橙红色、橙色和黄色
  
• 磷化镓（GaP） - 红色、黄色和绿色
  
• 铝镓磷（AlGaP） - 绿色
  
• 氮化镓（GaN） - 绿色、翠绿色
  
• 氮化镓铟（GaInN） - 近紫外线、蓝绿色和蓝色
  
• 碳化硅（SiC） - 作为基板的蓝色
  
• 硒化锌（ZnSe） - 蓝色
  
• 氮化铝镓（AlGaN） - 紫外线
  

与传统的 PN 结二极管一样，发光二极管是电流相关的器件，其正向电压降 VF 取决于半导体化合物（其光的颜色）和正向偏置的 LED 电流。大多数常见的 LED 需要大约 1.2 到 3.6 伏的正向工作电压，正向电流额定值约为 10 到 30mA，最常见的范围是 12 到 20mA。
正向工作电压和正向电流都根据所使用的半导体材料而变化，但开始导通并产生光的点，对于标准红色 LED 约为 1.2V，对于蓝色 LED 约为 3.6V。
确切的电压降当然取决于制造商，因为使用了不同的掺杂材料和波长。在特定电流值（例如 20mA）下，LED 两端的电压降也将取决于初始导通 VF 点。由于 LED 实际上是一个二极管，其每种颜色的正向电流 - 电压特性曲线可以绘制如下。
发光二极管 I - V 特性







发光二极管（LED）原理图符号和 I - V 特性曲线，展示了可用的不同颜色。
在发光二极管能够 “发射” 任何形式的光之前，它需要有电流流过，因为它是一个电流相关的器件，其光输出强度与流过 LED 的正向电流成正比。
由于 LED 要以正向偏置条件连接在电源两端，应该使用一个串联电阻来限制电流，以保护它免受过大电流的影响。绝不要将 LED 直接连接到电池或电源上，因为几乎瞬间它就会被烧毁，因为会有过多的电流通过并烧坏它。
从上面的表格中我们可以看到，每个 LED 在 PN 结两端都有自己的正向电压降，这个由所使用的半导体材料决定的参数，是在指定的正向导通电流量下的正向电压降，通常对于 20mA 的正向电流。
在大多数情况下，LED 由低压直流电源供电，使用一个串联电阻 RS 将正向电流限制在一个安全值，例如对于一个简单的 LED 指示灯为 5mA，对于需要高亮度光输出的情况为 30mA 或更高。
LED 串联电阻

串联电阻值 RS 可以简单地使用欧姆定律来计算，通过知道 LED 所需的正向电流 IF、组合两端的电源电压 VS 以及在所需电流水平下 LED 预期的正向电压降 VF，限流电阻计算如下：
LED 串联电阻电路








发光二极管示例 1

一个正向压降为 2 伏的琥珀色 LED 要连接到一个 5.0 伏的稳定直流电源上。使用上面的电路，计算将正向电流限制在小于 10mA 所需的串联电阻值。还要计算如果使用 100Ω 的串联电阻而不是第一次计算的值时，流过二极管的电流。
1). 10mA 时所需的串联电阻。






2). 使用 100Ω 串联电阻时。





我们从电阻教程中记得，电阻有标准的优选值。我们上面的第一次计算表明，要将流过 LED 的电流精确限制在 10mA，我们需要一个 300Ω 的电阻。在 E12 系列电阻中没有 300Ω 的电阻，所以我们需要选择下一个更高的值，即 330Ω。快速重新计算表明新的正向电流值现在是 9.1mA，这是可以的。
串联连接 LED

我们可以将 LED 串联连接，以增加所需的数量，或者在用于显示时增加亮度。与串联电阻一样，串联连接的 LED 都有相同的正向电流 IF 流过，就像只有一个 LED 一样。由于所有串联连接的 LED 都通过相同的电流，所以通常最好它们都是相同颜色或类型的。
串联连接 LED






虽然 LED 串联链中有相同的电流流过，但在计算限流电阻 RS 所需的电阻时，需要考虑它们两端的串联电压降。如果我们假设每个 LED 在点亮时两端的电压降为 1.2 伏，那么三个 LED 两端的电压降将是 3×1.2 伏 = 3.6 伏。
如果我们还假设这三个 LED 要由与上述相同的 5 伏逻辑器件或电源以大约 10mA 的正向电流点亮。那么电阻 RS 两端的电压降及其电阻值将计算如下：
串联 LED 限流电阻






同样，在 E12（10% 公差）系列电阻中没有 140Ω 的电阻，所以我们需要选择下一个更高的值，即 150Ω。
LED 驱动电路

现在我们知道了什么是 LED，我们需要某种方法通过将其 “打开” 和 “关闭” 来控制它。TTL 和 CMOS 逻辑门的输出级都可以提供和吸收一定量的有用电流，因此可以用于驱动 LED。普通集成电路（IC）在灌电流模式配置下的输出驱动电流高达 50mA，但在拉电流模式配置下内部限制的输出电流约为 30mA。
无论哪种方式，都必须像我们已经看到的那样，使用串联电阻将 LED 电流限制在安全值。下面是一些使用反相 IC 驱动发光二极管的示例，但对于任何类型的集成电路输出（无论是组合逻辑还是时序逻辑），原理都是相同的。
IC 驱动电路






如果需要同时驱动多个 LED，例如在大型 LED 阵列中，或者负载电流对于集成电路来说过高，或者我们可能只是想用分立元件代替 IC，那么下面给出了使用双极型 NPN 或 PNP 晶体管作为开关来驱动 LED 的另一种方法。同样，和以前一样，需要一个串联电阻 RS 来限制 LED 电流。
晶体管驱动电路






发光二极管的亮度不能仅仅通过改变流过它的电流来控制。允许更多电流流过 LED 会使它更亮，但也会导致它耗散更多热量。LED 被设计为在特定的正向电流（范围大约从 10 到 20mA）下产生一定量的光。
在节能很重要的情况下，可能可以使用更少的电流。然而，将电流降低到比如说 5mA 以下可能会使它的光输出太暗，甚至完全关闭 LED。一种更好的控制 LED 亮度的方法是使用一种称为 “脉冲宽度调制” 或 PWM 的控制过程，在这个过程中，根据 LED 所需的光强度，以不同的频率反复将 LED “打开” 和 “关闭”。
使用 PWM 的 LED 光强度






当需要更高的光输出时，具有相当短占空比（“开 - 关” 比）的脉宽调制电流允许二极管电流以及因此输出光强度在实际脉冲期间显著增加，同时仍将 LED 的 “平均电流水平” 和功率耗散保持在安全范围内。
这种 “开 - 关” 闪烁状态不会影响人眼的视觉，因为只要脉冲频率足够高，人眼会 “填补” 光脉冲 “开” 和 “关” 之间的间隙，使其看起来像是连续的光输出。所以频率为 100Hz 或更高的脉冲实际上比相同平均强度的连续光在人眼中看起来更亮。
多色发光二极管

LED 有各种各样的形状、颜色和不同的尺寸，具有不同的光输出强度，最常见（也是生产成本最低）的是标准的 5mm 红色磷砷化镓（GaAsP）LED。
LED 也有各种 “封装”，用于产生字母和数字，最常见的是 “七段显示” 排列。
如今，全彩色平板 LED 显示器、手持设备和电视都已问世，它们使用大量的多色 LED，所有这些 LED 都由它们自己的专用 IC 直接驱动。
大多数发光二极管只产生单一颜色的光输出，然而，现在有多色 LED 可供使用，它们可以在单个器件内产生一系列不同的颜色。其中大多数实际上是在单个封装内制造的两个或三个 LED。
双色发光二极管

双色发光二极管有两个 LED 芯片以 “反向并联”（一个正向，一个反向）连接在一起，组合在一个单一的封装中。双色 LED 可以产生三种颜色中的任何一种，例如，当器件以一个方向连接使电流流过时发出红色光，当以另一个方向偏置时发出绿色光。
这种双向排列对于给出极性指示很有用，例如电池或电源等的正确连接。此外，如果将该器件（通过一个合适的电阻）连接到低压、低频交流电源上，双向电流会使两种颜色混合在一起，因为两个 LED 会轮流点亮。
双色 LED






中文如下

LED	端子 A	AC	颜色
LED 1	ON	OFF	ON	绿色
LED 2	OFF	ON	ON	红色
组合	-	-	-	黄色

三色发光二极管

最流行的三色发光二极管类型由一个红色 LED 和一个绿色 LED 组合在一个封装中，它们的阴极连接在一起，形成一个三端器件。它们被称为三色 LED，因为它们可以通过一次仅 “打开” 一个 LED 来发出单一的红色或绿色光。
这些三色 LED 还可以通过以不同的正向电流比例 “打开” 两个 LED 来产生其原色的其他色调（第三种颜色），如橙色或黄色，如下表所示，从而仅从两个二极管结产生四种不同的颜色。
多色或三色 LED

输出颜色	红色	橙色	黄色	绿色
LED 1 电流	0	5mA	9.5mA	15mA
LED 2 电流	10mA	6.5mA	3.5mA	0

LED 显示器

除了单色或多色 LED 之外，几个发光二极管可以组合在一个单一的封装中，以产生诸如条形图、条带、阵列和七段显示器等显示。
七段 LED 显示器在正确解码时提供了一种非常方便的方式来以数字、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，在一个单一的显示封装内。
为了在显示器上分别产生从 0 到 9 以及从 A 到 F 所需的数字或字符，需要点亮正确组合的 LED 段。标准的七段 LED 显示器通常有八个输入连接，一个用于每个 LED 段，一个作为所有内部段的公共端子或连接。

• 共阴极显示器（CCD） - 在共阴极显示器中，所有 LED 的阴极连接在一起，通过施加高电平（逻辑 “1”）信号来点亮各个段。
  
• 共阳极显示器（CAD） - 在共阳极显示器中，所有 LED 的阳极连接在一起，通过将端子连接到低电平（逻辑 “0”）信号来点亮各个段。
  

光耦合器

最后，发光二极管的另一个有用应用是在光耦合中。光耦合器或也被称为光隔离器，是一种单一的电子设备，它由一个发光二极管与一个光电二极管、光电晶体管或光控双向晶闸管组合而成，在输入连接和输出连接之间提供光信号路径，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主体组成，其输入（光电二极管）和输出（光电晶体管）电路之间的典型击穿电压高达 5000 伏。这种电气隔离在需要将来自低压电路（如电池供电电路、计算机或微控制器）的信号，用于操作或控制另一个在潜在危险的市电电压下工作的外部电路时，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）紧密光学耦合，并利用光在其输入和输出之间发送信号和 / 或信息。这允许信息在电路之间传输，而无需电气连接或公共接地电位。
光隔离器是数字或开关设备，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的方式进行传输。