發(fā)光二極管(LED)工作原理

發(fā)光二極管工作原理

發(fā)光二極管通常稱為LED，它們雖然名不見經(jīng)傳，卻是電子世界中真正的英雄。它們能完成數(shù)十種不同的工作，并且在各種設(shè)備中都能找到它們的身影。它們用途廣泛，例如它們可以組成電子鐘表表盤上的數(shù)字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤照明并在設(shè)備開啟時向您發(fā)出提示。如果將它們集結(jié)在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點亮交通信號燈。

本質(zhì)上，LED只是一種易于裝配到電子電路中的微型燈泡。但它們并不像普通的白熾燈，它們并不含有可燒盡的燈絲，也不會變得特別燙。它們能夠發(fā)光，僅僅是半導(dǎo)體材料內(nèi)的電子運動的結(jié)果，并且它們的壽命同普通的晶體管一樣長。

在本文中，我們會分析這些無所不在的閃光元件背后的簡單原理，與此同時也會闡明一些饒有趣味的電學(xué)及光學(xué)原理。

二極管是最簡單的一種半導(dǎo)體設(shè)備。廣義的半導(dǎo)體是指那些具有可變導(dǎo)電能力的材料。大多數(shù)半導(dǎo)體是由不良導(dǎo)體摻入雜質(zhì)（另一種材料的原子）而形成的，而摻入雜質(zhì)的過程稱為摻雜。

就LED而言，典型的導(dǎo)體材料為砷化鋁鎵(AlGaAs)。在純凈的砷化鋁鎵中，每個原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好，沒有多余的自由電子（帶負(fù)電荷的粒子）來傳導(dǎo)電流。而材料經(jīng)摻雜后，摻入的原子打破了原有平衡，材料內(nèi)或是產(chǎn)生了自由電子，或是產(chǎn)生了可供電子移動的空穴。無論是自由電子數(shù)目的增多還是空穴數(shù)目的增多，都會增強材料的導(dǎo)電性。

具有多余電子的半導(dǎo)體稱為N型材料，因其含有多余的帶負(fù)電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負(fù)電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。

擁有多余空穴的半導(dǎo)體稱為P型材料，因為它在導(dǎo)電效果上相當(dāng)于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移，從帶負(fù)電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。因此，空穴本身就像是從帶正電荷的區(qū)域移往帶負(fù)電荷的區(qū)域。

一個二極管由一段P型材料同一段N型材料相連而成，且兩端連有電極。這種結(jié)構(gòu)只能沿一個方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不加電壓時，N型材料中的電子會沿著層間的PN結(jié)(junction)運動，去填充P型材料中的空穴，并形成一個耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體材料回到它原來的絕緣態(tài)即所有的空穴都被填充，因而耗盡區(qū)內(nèi)既沒有自由電子，也沒有供電子移動的空間，電荷則不能流動。

在PN結(jié)(junction)內(nèi)，N型材料中的自由電子填充了P型材料中的空穴。

這樣，在二極管的中間就產(chǎn)生了一個絕緣層，稱為耗盡區(qū)。為了使耗盡區(qū)消失，必須使電子從N型區(qū)域移往P型區(qū)域，同時空穴沿相反的方向移動。為此，您可以將二極管N型的一端與電路的負(fù)極相連，同時P型的那一端與正極相連。N型材料中的自由電子被負(fù)極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會沿反方向移動。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會被推出空穴，從而再次獲得自由移動的能力。此時耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。

當(dāng)電路的負(fù)極與N型層、正極與P型層相連時，

電子和空穴開始遷移，而耗盡區(qū)將消失。

如果您試圖讓電流沿反方向流動，將P型端連接到電路負(fù)極、N型端連接到正極的話，電流將不會流動。N型材料中帶負(fù)電的電子會被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會被吸引到負(fù)極上。由于空穴與電子各自沿著錯誤的方向運動，PN結(jié)將不會有電流通過，耗盡區(qū)也會擴(kuò)大。（有關(guān)整個過程的更多信息，請參閱半導(dǎo)體工作原理。）

當(dāng)電路的正極連接到N型層、負(fù)極連接到P型層時，自由電子會聚集在二極管的一端，同時空穴會聚集在另一端。耗盡區(qū)會擴(kuò)大。

在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產(chǎn)生一個有趣的副作用發(fā)光！在下一節(jié)，我們將探討其來龍去脈。

光是一種能量形式，可由原子釋出。光由一些具有能量和動量但無質(zhì)量的類粒子束組成。這些粒子稱為光子，是光的最基本單位。

電子的躍遷會釋放出光子。在原子結(jié)構(gòu)中，電子在原子核周圍的軌道中運動。電子在不同的軌道中具有不同的能量值。通常，能量更高的電子在離原子核更遠(yuǎn)的軌道中運動。

為了讓電子能夠從低能軌道躍遷至高能軌道，就必須提高它的能級。反過來，電子從高能軌道跌落至低能軌道時則會釋出能量。這種能量就以光子的形式得到釋放。能量差約大，釋出的光子能量就越大，繼而表現(xiàn)為更高的頻率。（有關(guān)詳細(xì)說明，請查看光的原理。）

我們在上一節(jié)已經(jīng)了解到，自由電子通過二極管時會陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會以光子的形式釋放出能量。這種情況在所有的二極管中都會發(fā)生，但只有當(dāng)二極管由某些特定材料制成時，您才能看到光子。舉例來說，普通硅二極管中的原子會以一種特定方式排列，在這種排列下，電子跌落的距離相對而言比較短，這導(dǎo)致產(chǎn)生的光子頻率過低（它們在光譜中處于紅外線區(qū)域），不能為人眼所見。當(dāng)然，這也不一定就是壞事：紅外線LED有很多用途，例如它是制造遙控器的理想元件。

續(xù)

可見光發(fā)光二極管(VLED)，例如用來點亮電子鐘表中的數(shù)字的發(fā)光二極管，其構(gòu)成材料就以傳導(dǎo)帶與低軌道之間的間隙較大為特征。間隙的大小決定光子的頻率從而決定了光的顏色。盡管所有的二極管都能發(fā)光，但大多數(shù)發(fā)光效果并不好。在普通二極管內(nèi)，大量的光能最終會被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED因其獨特的構(gòu)造，可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡里面。如下圖所示，二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側(cè)壁反射回來，然后繼續(xù)傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。

與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED有幾點優(yōu)勢。首先，它們不含可燒盡的燈絲，因而壽命更長；另外，小型塑料燈泡使得它們更加耐用。還有，它們也易于裝配到現(xiàn)代電路中去。

而LED最主要的優(yōu)勢在于其高效性。傳統(tǒng)的白熾燈泡在發(fā)光過程中會散發(fā)出大量熱量（因為燈絲需要加熱）。這些熱能將是徹頭徹尾的浪費，除非您把燈當(dāng)作加熱器使用，因為絕大部分的電能都沒有產(chǎn)生可見光。相對來說，LED產(chǎn)生的熱量甚微，電能中直接用來發(fā)光的百分比要高很多，這樣可以大大降低用電需求。

LED由先進(jìn)的半導(dǎo)體材料制成，因而相對昂貴，時至今日仍不能應(yīng)用于大多數(shù)照明設(shè)備中。然而過去十年間，半導(dǎo)體設(shè)備的價格已經(jīng)大幅下降，這使得LED照明在各種應(yīng)用場合都成為一種性價比更高的選擇。盡管它們起初也許會比白熾燈更貴些，但更加低廉的長期成本還是會讓它們成為一筆劃算的買賣。并且，它們還會在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。

擴(kuò)展閱讀：發(fā)光二極管工作原理+各種顏色波長以及變色LED燈一

(一)LED發(fā)光原理：(二)各種顏色的燈的用途。(三)變色LED電路。

發(fā)光二極管工作原理

發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物

制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。

它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。

不同顏色的光的應(yīng)用以及波長一些發(fā)光二極管產(chǎn)品，尤其是手電筒上的發(fā)光二極管有不同的光束顏色。這可不是使用了什么暗藏機(jī)關(guān)來使它們看上去漂亮，不同的光顏色有著不同的應(yīng)用。下面就簡單介紹一下最常見顏色和它的實際用途。

1、白色光有完美的顏色特性，但它會損害適應(yīng)暗光的視覺，一定光源熄滅后需要一定的時間來重新適應(yīng)。

2、紅色光通常是用作夜視。紅光不會引起你瞳孔過分收縮和一旦紅光熄滅時眼睛不需要重新適應(yīng)黑暗。紅色也通常在單色相片處理被用作為“安全”顏色因為它不會損壞正在沖印的底片。

3、黃色光有著紅色光和白色光的一些優(yōu)點。黃色光另外一優(yōu)點就是當(dāng)你閱讀時減少因為長時間閱讀而導(dǎo)致眼睛疲勞的反射和眩目的光。4、綠色光也可以用作為夜視，綠色光還特別適用于在夜晚的時候閱讀地圖或圖表。它還不那么容易被夜視裝備發(fā)現(xiàn)，便很容易被人眼發(fā)現(xiàn)，綠色光的亮度比紅色光低。

5、藍(lán)色光可被用作在夜晚閱讀地圖和通常很受軍事人員青睞，因為藍(lán)色光增加了對比度的水平。它還可以用作戲院和演出時的后臺工作燈色。

6、藍(lán)綠光有著相似綠光和藍(lán)光的夜視優(yōu)點，但隨著藍(lán)綠光的顏色特性的提高，一些用戶因為這個原因喜歡用藍(lán)綠光。7、紅外線紅光是與夜視裝備一起使用的。否則人的眼睛是看不到紅外線光的。

8、紫外光通常是用作識別鈔票是否偽造，一些紫外發(fā)光二極管照明物在夜總會和派對上很受歡迎，它們被用來使熒光物質(zhì)發(fā)出更亮的光。

光的顏色和它的波長

光的顏色是否可以看見是由它的波長決定的，光的波長是以納米為單位的也說是十億分之一米。發(fā)光二極管發(fā)出的光幾乎都是一致的也就是說它幾乎都是在一個波長，發(fā)出非常純的顏色。以下是光的顏色和它的波長。1、中紅外線紅光

4600nm-1600nm--不可見光2、低紅外線紅光

1300nm-870nm--不可見光850nm-810nm-幾乎不可見光，3、近紅外線光

780nm-當(dāng)直接觀察時可看見一個非常暗淡的櫻桃紅色光770nm-當(dāng)直接觀察時可看見一個深櫻桃紅色光740nm-深櫻桃紅色光4、紅色光700nm-深紅色660nm-紅色645nm-鮮紅色630nm-620nm-橙紅5、橙色光615nm-紅橙色光610nm-橙色光605nm-琥珀色光6、黃色光

590nm-“鈉“黃色585nm-黃色

575nm-檸檬黃色/淡綠色7、綠色

570nm-淡青綠色565nm-青綠色555nm-550nm-鮮綠色525nm-純綠色8、藍(lán)綠色

505nm-青綠色/藍(lán)綠色500nm-淡綠青色495nm-天藍(lán)色9、藍(lán)色475nm-天青藍(lán)470nm-460nm-鮮亮藍(lán)色450nm-純藍(lán)色10、藍(lán)紫色444nm-深藍(lán)色430nm-藍(lán)紫色11、紫色405nm-純紫色400nm-深紫色12、近紫外線光395nm-帶微紅的深紫色13、UV-A型紫外線光

370nm-幾乎是不可見光，受木質(zhì)玻璃濾光時顯現(xiàn)出一個暗深紫色。白光發(fā)光二極管有微黃色的到略帶紫色的白光。白光發(fā)光二極管的色溫范圍有低至4000°K到1201*°K。常見的白光發(fā)光二極管通常都是6500°-8000°K范圍內(nèi)。光源波長

科學(xué)要聞201*-09-201*:56:34閱讀102評論0字號：大中小訂閱

1、紅外線發(fā)射管（lnfrared）：λρ=700nm、730nm、770nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm、920nm、940nm2、發(fā)光二極管(LEDLamp)：

（1）白光（White）：黃白光色溫3000℃標(biāo)準(zhǔn)白光色溫5000℃藍(lán)白光色溫8000℃

（2）藍(lán)光（Blue）：深藍(lán)B(PB)λρ=460nm淺藍(lán)B(SB)λρ=470nm

（3）綠光（Green）：藍(lán)綠G(BG)λρ=500nm純綠G(PG)λρ=525nm淺綠G(SG)λρ=565nm黃綠G(YG)λρ=575nm（4）黃光（Yellow）：純黃Y(SY)λρ=585nm琥珀黃Y(AM)λρ=595nm

（5）橙光（Orange）：橙O(SO)λρ=605nm紅橙O（RO）λρ=615nm

（6）紅光（Red）：橙紅R(OR)λρ=625nm淺紅R(RO)λρ=635nm紅R(RS)λρ=645nm深紅R（SR)λρ=655nm

3、紫外光（UV）滅菌燈λρ=254nm或253.7nm點光源λρ=365nm臭氧形成λρ=185nm以下

真空紫外線（UV-V），波長為100-200nm短波紫外線（UV-C），波長為200-280nm中波紫外線（UV-B），波長為280-315nm長波紫外線（UV-A），波長為315-380nm可見光（Visiblelight），波長為400760nm

LED變色燈電路剖析LED變色燈是一種新型燈泡。它的外形與一般乳白色白熾燈泡相同，但點亮后會自動按一定的時間間隔變色。循環(huán)地發(fā)出青、黃、綠、紫、藍(lán)、紅、白色光。它適用于家庭生日派對、節(jié)日聚會、過節(jié)過年，給節(jié)日添加歡樂氣氛：也可用于娛樂場所及作廣告燈等。該變色燈泡的特點是，節(jié)能(耗電約1W)、壽命長、使用方便、價格便宜。為什么會自動變色呢?是用什么電路來實現(xiàn)變色昵?把LED變色燈泡拆開來瞧瞧，通過從印制板上的元器件及走線整理出電路圖．對該電路作了了解及分析。發(fā)現(xiàn)該電路設(shè)計得比較巧妙，有獨到之處�，F(xiàn)將該電路作一剖析，供電路設(shè)計、開發(fā)人員及愛好者作參考。變色的光學(xué)原理

變色燈是由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色LED組成的。雙色LED是我們十分熟悉的。一般由紅光LED及綠光LED組成。它可以單獨發(fā)出紅光或綠光。若紅光及綠光同時亮點時，紅綠兩種光混合成橙黃色。變色燈的變色原理如圖1所示。三種基色LED分別點亮兩個LED時，它可以發(fā)出黃、紫、青色(如紅、藍(lán)兩LED點亮?xí)r發(fā)出紫色光)；若紅、綠、藍(lán)三種LED同時點亮?xí)r，它會產(chǎn)生白光。如果有電路能使紅、綠、藍(lán)光LED分別兩兩點亮、單獨點亮及三基色LED同時點亮，則能按圖1的情況發(fā)出七種不同顏色的光來。

變色燈的結(jié)構(gòu)框圖

LED變色燈的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它由電容降壓式穩(wěn)壓電源、LED控制器及G、R、B三基色LED陣列組成。由于這三部分都要裝入燈頭內(nèi)，所以其電源采用電容器降壓．全波整流及穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓的簡單電路。

電源輸出15V電壓供LED陣列，輸出14.6V供LED控制器。控制器的輸出端(1、2、3)中有一個是低電平時(如1為低電平)，則綠色LED亮，若三個輸出端都是低電平時，則發(fā)出白光(綠、紅、藍(lán)光LED都亮)。

LED控制器是變色燈的關(guān)鍵，它是由CD4060來承擔(dān)的，先介紹一下CD4060。CD4060簡介

CD4060是4000系列CMOS器件中的一種，是14位二進(jìn)制計數(shù)器。它內(nèi)部有兩反相器，外接兩個電阻及一個電容就可組成振蕩器，作為時鐘發(fā)生器。輸入時鐘脈沖時(下降沿)，輸出端輸出記數(shù)脈沖。它有一個復(fù)位端(Reset)，當(dāng)復(fù)位端為高電平時．所有輸出端都是低電平，如表1所示。

CD4060為16管腳DIP封裝，各管腳排列如圖3所示。其中Clockin是時鐘脈沖輸入，Clockout1及Clockout2是時鐘脈沖輸出(相位差180°，Reset是復(fù)位輸入端(高電平有效)．Q4～Q14是二進(jìn)制記數(shù)脈沖輸出端，Vdd為電源正端(3～18V)．Vss為電源負(fù)端。

變色燈的電路圖

LED變色燈的電路如圖4所示。它由電源部分、變色控制部分及三基色LED陣列組成，現(xiàn)分別介紹其工作原理：

1．電源部分由降壓電容C1、全波整流D1～D4及穩(wěn)壓二極管D5組成的電容降壓式電路是很典型的AC/DC轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)15V的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后(嚴(yán)格地說是被限幅后)作為驅(qū)動LED陣列的電源．經(jīng)D6、C2濾波后(約14．5V)的電壓供CD4060及復(fù)位的電壓(高電平)。與電容C1并聯(lián)的電阻R1是斷開電源后，C1上的電荷經(jīng)R1放電，防止燈頭上帶電。

這種電源的特點是，當(dāng)負(fù)載的電壓遠(yuǎn)小于220V時，負(fù)載上電流IL≈69C(C為降壓電容，單位為uF，IL的單位為mA)。例如，C=0.47uF時，流過負(fù)載的電流約32.4mA，并且這個電流是比較穩(wěn)定的：另外，這種電源尺寸小(占空間小)。其缺點是對市電是不隔離的，要求封閉在燈頭內(nèi)，并有良好的絕緣。2．變色控制部分變色控制部分由二進(jìn)制記數(shù)器CD4060承擔(dān)。時鐘脈沖信號不采用一般的振蕩器電路(CD4060內(nèi)部有兩個反相器，外接兩個電阻、一個電容即可組成振蕩器)，而在電源電路中串接R5，在R5上的50Hz交流電壓經(jīng)R3、C3組成的微分電路形成尖脈沖作為時鐘脈沖信號。在輸出記數(shù)脈沖中選擇Q8、Q9、Q10三端與LED負(fù)極連接。當(dāng)記數(shù)脈沖輸出低電平時，相應(yīng)的LED串被點亮。Q8、Q9、Q10的輸出時序如圖5所示。50Hz的周期為0.02s，Q8的周期為5.12s，Q9的周期為10.24s，Q10的周期為20.48s。

Q8接紅色LED串的負(fù)極、Q9接藍(lán)色LED的負(fù)極、Q10接綠色LED串的負(fù)極．則在Q8為高電平、Q9、Q10為低電平時，藍(lán)光、綠光LED串亮，混色后發(fā)出青光(因Q9、Q10為低電平，Reset端為低電平)。經(jīng)過2.56s后變成R、G亮，發(fā)出黃光。

在圖5的時序圖中，可以看到Q8到第4個周期時，Q8、Q9、Q10輸出都是高電平，則三串LED都滅。為避免在變色過程中出現(xiàn)這種情況，在電路中增加了D7～D9三個二極管，并由R4連接到復(fù)位端(Reset)。

在剛出現(xiàn)Q8、Q9、Q10三端都是高電平時，此時12腳(Reset)上出現(xiàn)高電平。器件被復(fù)位，使Q4-Q14各輸出端都為低電平(見附表)。一旦Q8、Q9、Q10出現(xiàn)低電平，紅、綠、藍(lán)光LED都亮，燈光成白光，即在出現(xiàn)紅光后，當(dāng)紅光結(jié)束，馬上變成白光，Reset端馬上變成低電平，跳過了2.56s的滅燈情況，這是電路上設(shè)計的巧妙之處。

3．三基色LED陣列三基色LED(B、R、G)每串有4個LED串聯(lián)而成。由于紅、綠色LED的管壓降與藍(lán)色LED的管壓降不同及各種發(fā)光二極管的發(fā)光強度不同，在LED串接回路中設(shè)置了不同的限流電阻．一方面強制了LED的電流．另外也使發(fā)光亮度匹配更好。LED采用視角大、亮度高的草帽型。

在圖4的電路中，降壓電容器C1采用了耐壓250V的，雖然250V耐壓的電容的實際耐壓值是大于300V的，若市電的最高值是242V，其峰值電壓是341V。采用耐壓400V的更安全。外形與印制板

LED變色燈泡的外形如圖6所示。

乳白色玻璃外罩的直徑為Φ60mm。印制板分兩塊，一塊是電源部分及控制器部分，另一塊是LED陣列。電源部分及控制器部分的印制板圖如圖7所示(印制板外圓尺寸Φ38mm)。圖中僅示出有關(guān)元器件位置及印制板的走線(并未按比例畫)。LED陣列的印制板如圖8所示(并未按比例畫)。僅表示各色LED的排列及印制板的走線。兩印制板之間有4條連接線連接，在兩印制板間有絕緣墊隔離。

這里要指出的是，外部燈泡必須采用乳白色的。這樣才能較好的混色，不可采用透明的材料。

這種變色燈泡的功率約1W，比較省電，但亮度差一點，比較新穎、效果不錯。

友情提示：本文中關(guān)于《發(fā)光二極管(LED)工作原理》給出的范例僅供您參考拓展思維使用，發(fā)光二極管(LED)工作原理：該篇文章建議您自主創(chuàng)作。

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