什么是发光二极管:工作原理及其应用

发光二极管是一种双引线半导体光源。1962年，尼克·霍洛尼亚克(Nick Holonyak)提出了发光二极管的想法，当时他在通用电气公司工作。LED是一种特殊类型的二极管，它们具有与PN结二极管相似的电特性。因此，LED允许电流正向流动，并阻止电流反向流动。LED占地面积小，小于1毫米²．LED的应用用于制作各种电气和电子项目。在本文中，我们将讨论LED的工作原理及其应用。

什么是发光二极管？

发光二极管是一个pn结二极管．它是一种特殊掺杂的二极管，由一种特殊类型的半导体组成。当光在前向偏置发射时，则称为发光二极管。

领导的象征

LED符号与二极管符号相似，除了两个小箭头指明了光的发射，因此它被称为LED(发光二极管)。LED包括两个端子，即阳极(+)和阴极(-)。LED符号如下所示。

施工LED

LED的构造非常简单，因为它是通过在基片上沉积三层半导体材料来设计的。这三层依次排列，顶部区域为p型区域，中部区域为活动区域，底部区域为n型区域。在结构中可以观察到半导体材料的三个区域。在施工中，p型区域包括孔洞;n型区域包括选举，而有源区域包括空穴和电子。

当电压没有施加到LED上时，就没有电子流和空穴，所以它们是稳定的。一旦施加电压，LED将向前偏置，因此n区域的电子和p区域的空穴将移动到有源区域。这个区域也被称为耗竭区。因为像空穴这样的载流子包含一个正电荷，而电子带有一个负电荷，所以光可以通过极性电荷的重组产生。

发光二极管如何工作？

发光二极管，我们称之为二极管。当二极管正向偏置时，电子和空穴在结上快速移动，它们不断地结合在一起，相互移出。电子从n型硅移到p型硅后不久，它就与空穴结合，然后消失了。因此，它使整个原子更加稳定，并以微小的光包或光子的形式产生少量的能量爆发。

上面的图显示了发光二极管的工作原理和一步步的过程。

• 从上图中，我们可以看到n型硅是红色的，包括黑色圆圈表示的电子。
• p型硅是蓝色的，它包含孔，它们由白色圆圈表示。
• 穿过p-n结的电源使二极管正向偏置并推动电子从n型到p型。把洞往相反的方向推。
• 结合了连接处的电子和孔。
• 当电子和孔重新组合时，光子被给出。

发光二极管的历史

led发明于1927年，但并不是一项新发明。下面简要回顾一下LED的历史。

• 在1927年，OLEG SOWNV（俄罗斯发明人）创建了第一个领导并发表了一些关于他的研究理论。
• 在1952年，Kurt Lechovec教授测试了输家理论的理论，并解释了第一个led
• 1958年，Rubin Braunstein和Egon Loebner发明了第一个绿色LED
• 1962年，Nick Holonyak发明了红色LED。第一个LED就这样诞生了。
• 在1964年，IBM首次在电脑上实现了电路板上的LED。
• 1968年，惠普(HP)开始在计算器中使用led。
• 在1971年，Jacques Pankove和Edward Miller发明了蓝色LED
• 1972年，M. George Crawford（电气工程师）发明了黄色LED。
• 1986年，来自斯塔福德大学的Walden C. Rhines和Herbert Maruska发明了一种含镁的蓝色LED，包括未来的标准。
• 在1993年，Hiroshi Amano和物理学家Isamu Akaski开发了一种高质量的蓝色led氮化镓。
• Shuji Nakamura等电气工程师开发出通过Amanos＆Akaski的开发高亮度的第一个蓝色LED，这迅速导致了白色彩色LED的扩展。
  在2002年，白色led灯被用于住宅用途，每个灯泡的充电费用约为80至100英镑。
• 在2008年，LED灯已经在办公室、医院和学校变得非常流行。
• 2019年，LED已成为主要光源;
• LED的发展是令人难以置信的，因为它从小的指示到照亮办公室，家庭，学校，医院等。

发光二极管电路用于偏置

大多数led的额定电压从1伏到3伏，而正向额定电流范围从200 mA到100 mA。

如果将电压（1V至3V）施加到LED，则它由于施加电压的电流流程而正常运行，则将在操作范围内。类似地，如果对LED的施加电压高于工作电压，则由于电流的高流程，发光二极管内的耗尽区将分解。这种意外的高流量将损坏设备。

通过将电阻与电压源和LED串联连接，可以避免这种情况。LED的安全电压额定值为1V至3 V，而安全电流额定值范围为200 mA至100 mA。

在这里，设置在电压源和LED之间的电阻被称为限流电阻，因为这个电阻限制了电流的流动，否则LED就会破坏电流。因此，该电阻器在保护LED方面起着关键作用。

从数学上讲，通过LED的电流可以写成

IF = Vs - VD/Rs

在哪里，

“IF”是正向电流

“Vs”是一个电压源

“VD”是通过发光二极管的电压降

“Rs”是一个限流电阻

降低电压的量以击败耗尽区的屏障。LED电压降的范围为2V至3V，而SI或GE二极管为0.3否0.7V。

因此，与SI或GE二极管相比，可以通过使用高电压来操作LED。
发光二极管比硅或锗二极管消耗更多的能量。

发光二极管的类型

有不同类型的发光二极管现在，其中一些在下面提到。

• 砷化镓（GaAs） - 红外线
• 砷化镓磷化物(GaAsP) -红色到红外，橙色
• 铝镓砷磷化物（藻类） - 高亮度红色，橙红色，橙色和黄色
• 磷化镓（间隙） - 红色，黄色和绿色
• 铝镓磷化铝（Algap） - 绿色
• 氮化镓(GaN) -绿色，翠绿色
• 氮化镓铟(GaInN) -近紫外，蓝绿色和蓝色
• 碳化硅(SiC) -蓝色衬底
• 硒化锌（ZnSe） - 蓝色
• 氮化镓铝(AlGaN) -紫外线

LED工作原理

发光二极管的工作原理是基于量子理论的。量子理论认为，当电子从高能级降到低能级时，能量会从光子释放出来。光子的能量等于这两个能级之间的能隙。如果pn结二极管处于正向偏置，则电流流过二极管。

半导体中电流的流动是由与电流方向相反的空穴流动和电子沿电流方向流动引起的。因此，由于这些载流子的流动，就会发生复合。

重组表明导电带中的电子跳到价带。当电子从一个带跳到另一个带时，电子将以光子形式发出电磁能量，并且光子能量等于禁止的能量间隙。

例如，让我们考虑量子理论，光子的能量是普朗克常数和电磁辐射频率的乘积。给出了数学方程

eq = hf.

其中他被称为普朗克常数，并且电磁辐射的速度等于光的速度i.ec。频率辐射与光的速度有关，作为F = C /λ。λ用作电磁辐射的波长，并且上述等式将变为a

Eq = he / λ

由上式可知，电磁辐射的波长与禁带大小成反比。在一般的硅、锗半导体中，这种禁能隙是在价带之间的条件下，使电磁波在复合过程中的总辐射以红外辐射的形式出现。我们看不见红外线的波长，因为它们在我们的可见范围之外。

红外线辐射被认为是热量，因为硅和锗半导体不是直接的间隙半导体，而是间接的间隙半导体。但在直接能隙半导体中，价带的最大能级和导带的最小能级并不同时发生。因此，电子和空穴的复合是电子从导带向价带迁移的过程，电子带的动量将发生变化。

白色发光二极管

LED的制造可以通过两种技术完成。在第一种技术中，LED芯片像红色，绿色和蓝色一样合并在类似的包装中以产生白光;虽然在第二种技术中，使用磷光。磷光体内的荧光可以概括在环氧树脂周围内，然后使用IngaN LED装置通过短波长能激活LED。

蓝色，绿色和红灯等不同的颜色灯在可变的数量中组合以产生不同的颜色感觉，称为主要添加颜色。这三种光强度同样地添加以产生白光。

但是，要通过绿色、蓝色和红色led的组合来实现这种组合，需要复杂的光电设计来控制不同颜色的组合和扩散。此外，由于LED颜色的变化，这种方法可能会很复杂。

白光LED的产品线主要依赖于使用磷光涂层的单个LED芯片。磷光涂层一旦穿过紫外线，就会产生白光，否则就会产生蓝光。同样的原理也适用于荧光灯;管内放电发出的紫外线会使荧光粉闪烁成白色。

尽管该LED的这种过程可以产生不同的色调，但可以通过筛选来控制差异。通过使用与CIE图的中心相邻的精确的色度坐标来筛选基于白色的LED的设备。

CIE图描述了马蹄形曲线内所有可实现的颜色坐标。干净的颜色在弧形上，但白色的尖端在中心内。白色LED输出颜色可以通过图中四个点表示。即使四个图形坐标接近干净的白色，这些led通常不能像普通光源一样照亮彩色镜头。

这些led主要用于白色或透明镜片，背光不透明。当这项技术继续发展时，白色led肯定会赢得作为照明光源和指示的声誉。

光视效能

LED的发光效率可以定义为每个单元的LM中的产生的光通量，电力可以在W中使用。蓝色LED的额定内部效率顺序为75 LM / W;琥珀色LED有500 LM / W＆红色LED有155升/倍。由于内部再吸收，可以考虑损失;发光效能的顺序范围为绿色和琥珀色LED的20至25升/倍。该功效定义也称为外部效力，类似于通常用于多色LED等其他类型的光源的功效定义。

多色发光二极管

一种发光二极管，在正向偏置连接时产生一种颜色，在反向偏置连接时产生一种颜色，这种发光二极管被称为多色LED。

实际上，这些led包括两个pn结，它们的连接可以是平行的，一个的阳极连接另一个的阴极。

多色led通常是红色的，一旦他们偏向一个方向和绿色，一旦他们偏向另一个方向。如果这个LED在两个极性中快速打开，那么这个LED将产生第三种颜色。一个绿色或红色的LED将产生一个黄色的色光，一旦快速切换前后偏压极性。

二极管和LED的区别是什么?

二极管和LED的主要区别如下。

二极管	引领
像二极管这样的半导体器件只能单向导电。	LED是一种用于发光的二极管。
二极管的设计可以用半导体材料进行，并且在该材料中的电子流可以使其能量提供热形式。	该LED采用磷化镓和砷化镓设计，其电子可以在传输能量的同时发光。
二极管将交流电转换成直流电	LED将电压变为光
它具有很高的反向击穿电压	它具有低反向击穿电压。
二极管的导通电压为硅为0.7V，而对于锗，它为0.3V	LED的导通电压大约在1.2 ~ 2.0 V之间。
该二极管用于电压整流器，夹紧电路，电压倍增器。	LED的应用领域包括交通信号灯、汽车前照灯、医疗设备、相机闪光灯等。

LED的I-V特性

市场上有不同类型的发光二极管，LED有不同的特性，包括颜色光，或波长辐射，光强度。LED的重要特性是颜色。在LED开始使用时，只有红色。随着LED使用的增加，在半导体工艺的帮助下，对LED的新金属进行研究，形成了不同的颜色。

下图显示了正向电压和电流之间的近似曲线。图中的每条曲线都表示不同的颜色。该表格显示了LED特性的总结。

LED配置的两种类型是什么?

LED的标准配置是两个像发射器和cob

发射器是一个单一的模具，安装到电路板，然后到散热器。这个电路板向发射器提供电力，同时也带走热量。

为了帮助降低成本以及增强光均匀性，研究者确定LED基板可以拆卸，并且单个模具可以公开地安装到电路板上。因此，这种设计称为COB（芯片上阵列数组）。

LED的优点和缺点

这发光二极管的优点包括以下。

• LED的成本较少，而且它们很小。
• 通过使用LED的电力。
• LED的强度在微控制器的帮助下不同。
• 长寿命
• 能源效率
• 没有预热期
• 崎岖的
• 不受低温影响
• 定向
• 显色效果极佳
• 环境友好型
• 可控

这发光二极管的缺点包括以下。

• 价格
• 温度敏感性
• 温度依赖
• 光线的质量
• 电极性
• 电压灵敏度
• 效率下垂
• 对昆虫的影响

发光二极管的应用

LED的应用有很多，下面将对其中的一些进行说明。

• LED在家庭和工业中用作灯泡
• 发光二极管用于摩托车和汽车
• 这些都是用于移动电话显示信息
• 在交通灯信号中使用LED

因此，本文讨论发光二极管概述电路工作原理和应用。我希望通过阅读本文，您已获得发光二极管的一些基本和工作信息。如果您对本文或最后一年电气项目有任何疑问，请随时评论以下部分。这是一个问题，LED是什么以及它如何工作？