LED發光二極管結構-顏色-正負極與特性知識

發光二極管或簡稱LED是當今可用的所有不同類型的半導體二極管中最廣泛使用的，并且通常用于電視和彩色顯示器。

它們是最明顯的二極管類型，它在不同顏色波長下發出相當窄的可見光帶寬，用于遙控器的不可見紅外線燈或在正向電流通過它們時發出激光型光。

更常見的“ 發光二極管 ”或LED基本上只是一種特殊類型的二極管，因為它們具有與PN結二極管非常相似的電特性。這意味著LED將向前傳遞電流，但阻止電流反向流動。

發光二極管由非常薄的相當重摻雜的半導體材料層制成，并且取決于所使用的半導體材料和摻雜量，當正向偏置時，LED將發射特定光譜波長的彩色光。

當二極管正向偏置時，來自半導體導帶的電子與來自價帶的空穴重新組合，釋放出足夠的能量以產生發出單色（單色）光的光子。由于這個薄層，合理數量的這些光子可以離開結并輻射掉，產生彩色光輸出。

發光二極管結構圖

然后我們可以說，當在正向偏置方向上操作時，發光二極管是將電能轉換為光能的半導體器件。

發光二極管結構與普通信號二極管的結構非常不同。LED的PN結由透明的硬塑料環氧樹脂半球形外殼或主體圍繞，保護LED免受振動和沖擊。

令人驚訝的是，LED結實際上并不發出那么多的光，因此環氧樹脂體的構造方式使得結發出的光的光子被反射離開周圍的基板，二極管連接到基板并向上聚焦通過LED的圓頂頂部，它本身就像一個集中光量的鏡頭。這就是發光在LED頂部看起來最亮的原因。

然而，并非所有LED都采用半球形圓頂制成的環氧樹脂外殼。一些指示LED具有矩形或圓柱形結構，其頂部具有平坦表面或者其主體成形為條形或箭頭。通常，所有LED都是由從主體底部突出的兩條腿制造的。

發光二極管正負極

此外，幾乎所有現代發光二極管的陰極，（ - ）端子由主體上的凹口或平點識別，或者陰極引線比另一個短，因為陽極（ + ）引線比陰極長（ K）。

與照明時產生大量熱量的普通白熾燈和燈泡不同，發光二極管產生“冷”光，與普通“燈泡”相比，效率高，因為大部分產生的能量在可見光范圍內輻射光譜。由于LED是固態器件，因此它們非常小巧耐用，并且比普通光源提供更長的燈泡壽命。

發光二極管顏色

那么發光二極管如何獲得它的顏色呢。與用于檢測或電源整流的普通信號二極管不同，它們由鍺或硅半導體材料制成，發光二極管由外來的半導體化合物制成，如砷化鎵（GaAs），磷化鎵（GaP），砷化鎵磷化物（GaAsP），碳化硅（SiC）或氮化鎵鎵（GaInN）都以不同的比例混合在一起，產生不同的顏色波長。

不同的LED化合物在可見光譜的特定區域發光，因此產生不同的強度水平。所用半導體材料的確切選擇將決定光子發射的總波長，并因此決定所發射光的所得顏色。

發光二極管顏色

發光二極管顏色圖表

因此，發光二極管的實際顏色由發射的光的波長確定，而發射的光的波長又由在制造期間形成PN結時使用的實際半導體化合物確定。

因此，LED發出的光的顏色不是由LED塑料體的顏色決定的，盡管這些顏色略微著色以增強光輸出并在其未被電源照射時指示其顏色。

發光二極管有多種顏色可供選擇，最常見的是RED，AMBER， YELLOW 和GREEN，因此被廣泛用作視覺指示器和移動光顯示器。

最近開發的藍色和白色LED也可用，但由于在半導體化合物中以精確比例混合兩種或更多種互補色的生產成本以及通過注入氮原子，這些LED往往比普通標準顏色貴得多。在摻雜過程中進入晶體結構。

從上表我們可以看出，用于制造發光二極管的主要P型摻雜劑是鎵（Ga，原子序數31），并且使用的主要N型摻雜劑是砷（As，原子序數33）得到的砷化鎵（GaAs）晶體結構化合物。

使用砷化鎵本身作為半導體化合物的問題在于，當正向電流流過時，它從其結點輻射出大量的低亮度紅外輻射（約850nm-940nm）。

它產生的紅外線光量適用于電視遙控器，但如果我們想將LED用作指示燈則不太有用。但是，通過添加磷（P，原子序數15），作為第三摻雜劑，發射的輻射的總波長減小到680nm以下，從而給人眼提供可見的紅光。PN結的摻雜過程的進一步改進產生了一系列跨越可見光光譜的顏色，如上所述，以及紅外和紫外波長。

通過將各種半導體，金屬和氣體化合物混合在一起，可以生產以下LED列表。

與傳統的PN結二極管一樣，發光二極管是電流相關器件，其正向壓降V F取決于半導體化合物（其光色）和正向偏置LED電流。大多數普通LED要求正向工作電壓在大約1.2到3.6伏之間，正向電流額定值約為10到30毫安，12到20毫安是最常見的范圍。

正向工作電壓和正向電流都根據所使用的半導體材料而變化，但是對于標準紅色LED而言，傳導開始并產生光的點約為1.2V，對于藍色LED，約為3.6V。

由于所使用的摻雜劑材料和波長不同，精確的電壓降當然取決于制造商。在特定電流值（例如20mA）下LED上的電壓降也將取決于初始傳導V F點。由于LED實際上是二極管，因此可以針對每種二極管顏色繪制其正向電流至電壓特性曲線，如下所示。

發光二極管IV特性

發光二極管（LED）原理圖符號和IV特性曲線

顯示可用的不同顏色。

在發光二極管可以“發射”任何形式的光之前，它需要電流流過它，因為它是電流相關裝置，其光輸出強度與流過LED的正向電流成正比。

由于LED要在電源上以正向偏置條件連接，因此應使用串聯電阻限制電流，以防止LED 過電流。切勿將LED直接連接到電池或電源，因為它幾乎會立即被破壞，因為過多的電流會通過并燒掉。

從上表可以看出，每個LED在PN結上都有自己的正向壓降，這個參數由所用的半導體材料決定，是指定量正向傳導電流的正向壓降，通常用于正向電流為20mA。

在大多數情況下，LED采用低壓直流電源供電，帶有一個串聯電阻，R S用于將正向電流限制在一個安全值，從簡單LED指示燈的5mA到30mA或更高，需要高亮度光輸出。

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