发光二极管（LED）：结构、原理与应用
发光二极管（LED）：结构、原理与应用
发光二极管（LED）是现代电子设备中不可或缺的组件，从手机到汽车，从家用电器到大型显示屏，都能看到它的身影。本文将详细介绍LED的基本结构、工作原理、颜色分类、电压电流特性以及如何控制其亮度，帮助读者全面了解这一重要电子元件。
LED Construction（LED 的结构）
LEDs 非常普遍，它们有各种各样的形状、尺寸和颜色。你使用的最多的可能是两个引脚的标准通孔 LED。如下图所示。
LED 的结构与普通二极管非常不同。LED 的 PN 结被透明的刚性塑料环氧树脂外壳包围。
外壳的构造使得 PN 结发射的光子通过 LED 的圆顶向上聚焦，而圆顶本身就像一个透镜，这就是为什么发射的光在 LED 顶部看起来最亮的原因。
就像普通二极管一样，LED 的正极称为阳极，而 LED 的负极称为阴极。阴极通常通过比阳极更短的引脚来表示。不仅如此，塑料外壳的外部通常有一个平坦的点或凹口，也可以表示 LED 的阴极侧。
并非所有 LED 都是半球形的，有些是矩形的，有些是圆柱形的，但它们的构造大多相同。
LED Working（LED 的工作原理）
与普通二极管一样，LED 仅在正向偏置条件下工作。当 LED 正向偏置时，自由电子穿过 PN 结并与空穴重新结合。由于这些电子从较高能级下降到较低能级，它们以光子（光）的形式辐射能量。
在普通二极管中，这种能量以热量的形式辐射，而在 LED 中，能量以光的形式辐射。这种效应称为电致发光。
LED Colors（LED 的颜色）
发光二极管有多种颜色可供选择，最常见的是红光、绿光、黄光、蓝光、橙光、白光和红外光（不可见光）。
与由锗或硅制成的普通二极管不同，LED 由镓、砷和磷等元素制成。通过以不同的比例混合这些元素，制造商可以生产出发出不同颜色的 LED，如下表所示。
颜色 | 波长（nm） | 正向电压（V） | 材质 |
|---|---|---|---|
紫外线 | <400 | 3.1-4.4 | 氮化铝（AlN） 氮化铝镓（AlGaN） |
紫色 | 400-450 | 2.8-4.0 | 氮化铟镓（InxGa1-xN） |
蓝色 | 450-500 | 2.5-3.7 | 氮化铟镓（InGaN） 碳化硅（SiC） |
绿色 | 500-570 | 1.9-4.0 | 磷化镓（GaP） 磷化铝镓（AlGaP） |
黄色 | 570-590 | 2.1-2.2 | 磷砷化镓（GaAsP） 磷化镓（GaP） |
橙色 | 590-610 | 2.0-2.1 | 磷砷化镓（GaAsP） 磷化镓（GaP） |
红色 | 610-760 | 1.6-2.0 | 砷化镓铝（AlGaAs） 磷砷化镓（GaAsP） 磷化镓（GaP） |
红外线 | >760 | >1.9 | 砷化镓（GaAs） 砷化镓铝（AlGaAs） |
LED 的实际颜色由发射光的波长决定，而波长又由制造二极管所用的实际半导体材料决定。
因此，LED 发射光的颜色并非由 LED 主体的颜色决定。它只是增强了光输出，并在不发光时显示其颜色。
LED Voltage and Current（LED 的电压和电流）
对于大多数低功率 LED，电流在 10mA 至 30mA 之间时，典型压降为 1.2V 至 3.6V。确切的电压取决于所使用的半导体材料、颜色、容差以及其他因素。
由于 LED 基本上是二极管，因此可以为每种颜色有其对应的伏安特性曲线，如下图所示。
除非另有说明，否则应考虑 2V 的标称压降和 20mA 的正向电流。
LED Brightness（LED 的亮度）
LED 的亮度直接取决于其消耗的电流量。消耗的电流越多，LED 就会越亮。
可以通过控制流过 LED 的电流来控制其亮度。
The Current Limiting resistor（限流电阻）
如果将 LED 直接连接到电池或电源，它会试图消耗尽可能多的电量，并且几乎会立即烧毁。
因此，限制流过 LED 的电流非常重要。为此，我们使用电阻。该电阻限制电路中的电子流动，并防止 LED 试图吸取过多的电流。
限流电阻放置在 LED 和电压源之间，如下图：
在上面的电路中，电阻左侧的电势为V S V_SVS ，右侧的电势为V F V_FVF ，电阻两端的电压为两个电势之差。
根据欧姆定律，限流电阻的计算公式为：
R S = V S − V F I F R_S=\frac{V_S-V_F}{I_F}RS =IF VS −VF
Basic Example（基本示例）
假设一个正向压降为 1.8V 的红色 LED 连接到 5V 直流电源。计算出正向电流约为 10mA 的限流电阻值。
Solution:（解决方案）
由上述公式可得限流电阻为：
R S = V S − V F I F = 5 V − 1.8 V 10 m A = 3.2 10 × 1 0 3 Ω = 320 Ω R_S=\frac{V_S-V_F}{I_F} \=\frac{5V-1.8V}{10mA} \=\frac{3.2}{10×10^3}Ω \=320ΩRS =IF VS −VF =10mA5V−1.8V =10×1033.2 Ω=320Ω
这表明我们需要一个 320Ω 电阻来将电流限制在 10mA。但 320Ω 不是标准的首选值，因此我们需要选择下一个最高值，即 330Ω。
让我们重新计算 330Ω 限流电阻的正向电流：
I F = V S − V F R S = 5 V − 1.8 V 330 Ω = 3.2 330 A = 0.0096 A = 9.6 m A I_F=\frac{V_S-V_F}{R_S} \=\frac{5V-1.8V}{330Ω} \=\frac{3.2}{330}A \=0.0096A \=9.6mAIF =RS VS −VF =330Ω5V−1.8V =3303.2 A=0.0096A=9.6mA
我们得到了一个更好的正向电流值 9.6mA。
Multi-color LEDs（多彩 LED）
大多数 LED 只能输出一种颜色的光。但是，现在市面上有多色 LED，它们可以在单个设备中发出多种不同颜色的光。实际上，这些 LED 在单个封装中包含了多个 LED。
RGB LEDs（红绿蓝 LED）
乍一看，RGB（红、绿、蓝）LED 看起来就像普通 LED，然而，在普通的 LED 封装结构内，实际上封装了三个 LED，一个红色，一个绿色，当然还有一个蓝色。通过控制每个 LED 的发光强度，几乎可以混合出任何颜色的光。
RGB LED 有四个引脚：每个颜色一个，还有一个公共引脚。有些 LED 是共阳极，有些 LED 是共阴极。
Bi-Color LEDs（双色 LED）
与 RGB LED 不同，双色 LED 封装内没有蓝色 LED。通常，只有两个 LED，一个红色，一个绿色。通过控制每个 LED 的强度，只能混合红色和绿色的色调。
双色 LED 有三个引脚：每种颜色一个，还有一个公共引脚。与 RGB LED 类似，有些 LED 是共阳极，有些 LED 是共阴极。