发光二极管的工作原理

一、什么是发光二极管（LED）？

发光二极管，是一种可以把电能直接转化为光能的半导体器件。它具有体积小、耗能低、寿命长、反应快等优点，因此在照明、显示、通信、医学等领域得到了广泛应用。

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。

但与普通二极管不同的是，LED所使用的半导体材料，是一种具备发光特性的化合物半导体。

二、发光二极管工作原理

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。

其中大部分光是从靠近 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。

从上图中，我们可以观察到N型硅是红色的，包括由黑色圆圈表示的电子。

P型硅是蓝色的，它包含空穴，它们由白色圆圈表示。

PN结上的电源使二极管正向偏置并将电子从N型推向P型。向相反方向推到空穴。

结处的电子和空穴结合在一起。随着电子和空穴的重新结合，光子被释放出来。

核心原理：电子和空穴结合时，高能态的电子会跌落到较低的能阶，释放出来的能量以光子的形式出现

三、二极管如何发不同颜色的光？

发光二极管由特殊半导体化合物制成，例如砷化镓、磷化镓 、碳化硅 或氮化镓铟 都以不同的比例混合在一起，以产生不同波长的颜色。

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。

四、发光二极管参数

1、伏安特性

发光二极管与普通二极管的伏 - 安特性相似，只是发光二极管的正向导通电压值较大。小电流发光二极管的反向击穿电压很小，为 6V至十几伏，比普通二极管的小。下图所示是发光二极管正向伏 - 安特性曲线。

由图可知，我们发现各种二极管之间所产生压降完全不同，在电路设计中要充分考虑这个因素。

下图所示是发光二极管伏 - 安特性曲线，它含正向和反向特性。发光二极管具有与一般半导体三极管相似的输入伏 - 安特性曲线。

在AB工作区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压减小，而正向电流加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。

在CD区段，发光二极管存在较大的反向击穿电流。这种击穿不是热击穿，不会损坏，一部分交流插座、交流电源开关上的交流指示灯就是采用发光二极管，在交流电的负半周期间发光二极管就是工作在这一区段。

2、光强与温度关系

LED对环境温度比较敏感，而在发光过程中主要能量以热量和光的形式发出，所以做好散热对LED的驱动有着至关重要的影响。

下图所示是发光二极管发光强度与环境温度关系特性曲线。温度愈低，发光强度愈大。当环境温度升高后，发光强度将明显下降。

3、波长与温度电流关系

发光二极管所发光颜色并不是一成不变的，当电流增大或者改变时，发光光波会发生变化，只是这个变化比较小，我们不容易察觉。同样对于温度也是一样的道理，发光二极管温度的的变化会引起发光波长发生变化。

这个主要和二极管发光原理有关，电流经过二极管时会发出热量，热量是能量的一种形式加载在了半导体上，所以随着电流的增大以及温度的升高，发光二极管半导体上的能量呈递增趋势。能量增高在电子能级跃迁时释放出的光子能量就会变大，能量越大，电磁波频率越大，电磁波波长越短，颜色上呈现由紫色向红色波谱递进。

也就是说如果拿一颗红色LED在高温大电流下它的发光颜色在七色谱上会向紫色一段递进，可能呈现橙色。另一种方法是将LED放在液氮中，观察发光颜色，在国外有小伙伴做过这个实验，一颗蓝色的LED在液氮中会发出绿色的光，其波长变长，复合特性曲线。

三、发光二极管识别方法

为了不影响发光二极管的正常发光，在外壳上不标出型号和极性。所以识别发光二极管正、负引脚主要靠外形特征和万用表的检测来进行。

1、引脚长短识别法

引脚的发光二极管，它的两根引脚一长一短，长的一根是正极，短的为负极。

2、塑封凸起识别法

下图所示是突键方式表示正极性引脚方法，发光二极管底座上有一个突键，靠在此键最近的一根引脚为正极。

3、贴片二极管识别法

贴片二极管为现在常用的发光二极管封装，由于其非常小所以以上方法并不适用。但是在贴片发光LED正面一侧，会印有绿色的一条线，绿色一端为负极，另外一端为正极。在贴片发光二极管的底部，印有二极管的丝印标志三角形。三角形尖尖所指的一侧为负极，另一边为正极。