LED发光二极管结构-颜色-正负极与特性知识

发光二极管或简称LED是当今可用的所有不同类型的半导体二极管中最广泛使用的，并且通常用于电视和彩色显示器。

它们是最明显的二极管类型，它在不同颜色波长下发出相当窄的可见光带宽，用于遥控器的不可见红外线灯或在正向电流通过它们时发出激光型光。

更常见的“ 发光二极管 ”或LED基本上只是一种特殊类型的二极管，因为它们具有与PN结二极管非常相似的电特性。这意味着LED将向前传递电流，但阻止电流反向流动。

发光二极管由非常薄的相当重掺杂的半导体材料层制成，并且取决于所使用的半导体材料和掺杂量，当正向偏置时，LED将发射特定光谱波长的彩色光。

当二极管正向偏置时，来自半导体导带的电子与来自价带的空穴重新组合，释放出足够的能量以产生发出单色（单色）光的光子。由于这个薄层，合理数量的这些光子可以离开结并辐射掉，产生彩色光输出。

发光二极管结构图

然后我们可以说，当在正向偏置方向上操作时，发光二极管是将电能转换为光能的半导体器件。

发光二极管结构与普通信号二极管的结构非常不同。LED的PN结由透明的硬塑料环氧树脂半球形外壳或主体围绕，保护LED免受振动和冲击。

令人惊讶的是，LED结实际上并不发出那么多的光，因此环氧树脂体的构造方式使得结发出的光的光子被反射离开周围的基板，二极管连接到基板并向上聚焦通过LED的圆顶顶部，它本身就像一个集中光量的镜头。这就是发光在LED顶部看起来最亮的原因。

然而，并非所有LED都采用半球形圆顶制成的环氧树脂外壳。一些指示LED具有矩形或圆柱形结构，其顶部具有平坦表面或者其主体成形为条形或箭头。通常，所有LED都是由从主体底部突出的两条腿制造的。

发光二极管正负极

此外，几乎所有现代发光二极管的阴极，（ - ）端子由主体上的凹口或平点识别，或者阴极引线比另一个短，因为阳极（ + ）引线比阴极长（ K）。

与照明时产生大量热量的普通白炽灯和灯泡不同，发光二极管产生“冷”光，与普通“灯泡”相比，效率高，因为大部分产生的能量在可见光范围内辐射光谱。由于LED是固态器件，因此它们非常小巧耐用，并且比普通光源提供更长的灯泡寿命。

发光二极管颜色

那么发光二极管如何获得它的颜色呢。与用于检测或电源整流的普通信号二极管不同，它们由锗或硅半导体材料制成，发光二极管由外来的半导体化合物制成，如砷化镓（GaAs），磷化镓（GaP），砷化镓磷化物（GaAsP），碳化硅（SiC）或氮化镓镓（GaInN）都以不同的比例混合在一起，产生不同的颜色波长。

不同的LED化合物在可见光谱的特定区域发光，因此产生不同的强度水平。所用半导体材料的确切选择将决定光子发射的总波长，并因此决定所发射光的所得颜色。

发光二极管颜色

发光二极管颜色图表

因此，发光二极管的实际颜色由发射的光的波长确定，而发射的光的波长又由在制造期间形成PN结时使用的实际半导体化合物确定。

因此，LED发出的光的颜色不是由LED塑料体的颜色决定的，尽管这些颜色略微着色以增强光输出并在其未被电源照射时指示其颜色。

发光二极管有多种颜色可供选择，最常见的是RED，AMBER， YELLOW 和GREEN，因此被广泛用作视觉指示器和移动光显示器。

最近开发的蓝色和白色LED也可用，但由于在半导体化合物中以精确比例混合两种或更多种互补色的生产成本以及通过注入氮原子，这些LED往往比普通标准颜色贵得多。在掺杂过程中进入晶体结构。

从上表我们可以看出，用于制造发光二极管的主要P型掺杂剂是镓（Ga，原子序数31），并且使用的主要N型掺杂剂是砷（As，原子序数33）得到的砷化镓（GaAs）晶体结构化合物。

使用砷化镓本身作为半导体化合物的问题在于，当正向电流流过时，它从其结点辐射出大量的低亮度红外辐射（约850nm-940nm）。

它产生的红外线光量适用于电视遥控器，但如果我们想将LED用作指示灯则不太有用。但是，通过添加磷（P，原子序数15），作为第三掺杂剂，发射的辐射的总波长减小到680nm以下，从而给人眼提供可见的红光。PN结的掺杂过程的进一步改进产生了一系列跨越可见光光谱的颜色，如上所述，以及红外和紫外波长。

通过将各种半导体，金属和气体化合物混合在一起，可以生产以下LED列表。

与传统的PN结二极管一样，发光二极管是电流相关器件，其正向压降V F取决于半导体化合物（其光色）和正向偏置LED电流。大多数普通LED要求正向工作电压在大约1.2到3.6伏之间，正向电流额定值约为10到30毫安，12到20毫安是最常见的范围。

正向工作电压和正向电流都根据所使用的半导体材料而变化，但是对于标准红色LED而言，传导开始并产生光的点约为1.2V，对于蓝色LED，约为3.6V。

由于所使用的掺杂剂材料和波长不同，精确的电压降当然取决于制造商。在特定电流值（例如20mA）下LED上的电压降也将取决于初始传导V F点。由于LED实际上是二极管，因此可以针对每种二极管颜色绘制其正向电流至电压特性曲线，如下所示。

发光二极管IV特性

发光二极管（LED）原理图符号和IV特性曲线

显示可用的不同颜色。

在发光二极管可以“发射”任何形式的光之前，它需要电流流过它，因为它是电流相关装置，其光输出强度与流过LED的正向电流成正比。

由于LED要在电源上以正向偏置条件连接，因此应使用串联电阻限制电流，以防止LED 过电流。切勿将LED直接连接到电池或电源，因为它几乎会立即被破坏，因为过多的电流会通过并烧掉。

从上表可以看出，每个LED在PN结上都有自己的正向压降，这个参数由所用的半导体材料决定，是指定量正向传导电流的正向压降，通常用于正向电流为20mA。

在大多数情况下，LED采用低压直流电源供电，带有一个串联电阻，R S用于将正向电流限制在一个安全值，从简单LED指示灯的5mA到30mA或更高，需要高亮度光输出。

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