发光二极管(LED)的工作原理-电路符号和特性

众所周知，发光二极管（LED）是最好的光电器件之一。当器件的内部二极管结达到正向电流或电压时，该器件能够发出相当窄的可见或不可见光带宽。LED发出的可见光通常为橙色，红色，黄色或绿色。不可见光包括红外光。该器件的最大优点是其高光功率转换效率。也就是说，效率几乎是简单钨灯的50倍。还已知LED的响应时间在0.1微秒的范围内非常快，而钨灯的响应时间为100毫秒。由于这些优点，该设备广泛应用作为视觉指标和跳舞灯光显示。

我们知道PN结可以将吸收的光能连接到其比例电流中。这里反过来相同的过程。也就是说，当PN能量施加在其上时，PN结发光。这种现象通常称为电致发光，其可以定义为在电场的影响下来自半导体的光发射。当电子从N区交叉并与P区中存在的空穴重新结合时，电荷载流子在正向PN结中重新组合。自由电子处于能级的导带中，而空穴位于价能带中。因此，空穴的能级将小于电子的能级。必须消耗一部分能量以重新组合电子和空穴。

电子以硅和锗二极管的热量形式耗散能量。但是在砷化镓 - 磷（GaAsP）和镓 - 磷（GaP）半导体中，电子通过发射光子来耗散能量。如果半导体是半透明的，则结在发射时成为光源，因此成为发光二极管（LED）。但是当结被反向偏置时，LED不会产生光，相反，器件也可能被损坏。

LED发光二极管的结构图如下所示

LED发光二极管结构图

可以使用上面列出的所有半导体。在衬底上生长N型外延层，并通过扩散产生P区 。包括电荷载流子复合的P区域显示为顶部。因此，P区成为器件表面。为了允许发射更多的表面区域，在P层的外边缘处形成金属阳极连接。为了使光尽可能地朝向装置的表面反射，将金膜施加到表面底部。该设置还能够提供阴极连接。通过将穹顶镜片包括在装置中来解决重吸收问题。通过包住设备来保护设备的电子电路中的所有电线。器件发出的光取决于所用半导体材料的类型。通过使用砷化镓（GaAs）作为半导体产生红外光。通过使用砷化镓 - 磷（GaAsP）作为半导体产生红光或黄光。通过使用镓 - 磷（GaP）作为半导体产生红光或绿光。

LED电路符号

LED的电路符号由两个箭头标记组成，表示二极管发出的辐射。

LED发光二极管特性

LED发光二极管特性曲线图

正向偏置电压 - 电流（VI）曲线和输出特性曲线如上图所示。VI曲线实际上适用于防盗报警器。需要大约1伏的正向偏压来提供显着的正向电流。第二个数字用于表示辐射功率 - 正向电流曲线。产生的输出功率非常小，因此电 - 辐射能量转换的效率非常低。

下图显示了连接到LED 的串联电阻R 系列。一旦器件的正向偏压超过，电流将根据电压的小幅增加以更大的速率增加。这表明器件的正向电阻非常低。这表明使用外部串联限流电阻的重要性。串联电阻由以下等式确定。

R 系列 =（V 电源 - V）/ I

V 电源 -电源电压

V - LED正向偏置电压

LED电路图

商业上使用的LED具有1.5伏至2.5伏之间的典型电压降或10至50毫安之间的电流。确切的电压降取决于LED发光二极管的电流、颜色、容差等。

LED指示灯

下面显示的电路是LED发光二极管的主要应用之一。该电路的设计方法是将其与普通二极管反向并联，以防止器件反向偏置。串联电阻的值应相对于直流电路的值为一半。

LED指示灯电路图

LEDS显示器用于显示段中的数字。一种这样的设计是七段显示，如下所示。通过使电流通过正确的段，可以显示0-9的任何所需数字。为了连接这种区段，可以使用共阳极或共阴极阴极配置。两个连接如下所示。使用晶体管可以打开和关闭LED发光二极管。

LED发光二极管的优点

• 极低的电压和电流足以驱动LED。

• 电压范围 - 1至2伏。

• 目前 - 5至20毫安。

• 总功率输出将小于150毫瓦。

• 响应时间非常短 - 仅约10纳秒。

• 该设备不需要任何加热和预热时间。

• 尺寸小巧，重量轻。

• 具有坚固的结构，因此可以承受冲击和振动。

• LED的寿命超过20年。

LED发光二极管的缺点

• 电压或电流略微过大可能会损坏设备。

• 已知该装置与激光器相比具有更宽的带宽。

• 温度取决于辐射输出功率和波长。

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