发光二极管(LED)工作原理
发光二极管工作原理
发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。
本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。
在本文中，我们会分析这些无所不在的闪光元件背后的简单原理，与此同时也会阐明一些饶有趣味的电学及光学原理。
二极管是最简单的一种半导体设备。广义的半导体是指那些具有可变导电能力的材料。大多数半导体是由不良导体掺入杂质（另一种材料的原子）而形成的，而掺入杂质的过程称为掺杂。
就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓(AlGaAs)。在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。
具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。
拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。
一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。这种结构只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。在耗尽区内，半导体材料回到它原来的绝缘态即所有的空穴都被填充，因而耗尽区内既没有自由电子，也没有供电子移动的空间，电荷则不能流动。
在PN结(junction)内，N型材料中的自由电子填充了P型材料中的空穴。
这样，在二极管的中间就产生了一个绝缘层，称为耗尽区。为了使耗尽区消失，必须使电子从N型区域移往P型区域，同时空穴沿相反的方向移动。为此，您可以将二极管N型的一端与电路的负极相连，同时P型的那一端与正极相连。N型材料中的自由电子被负极排斥，又被正极吸引；而P型材料中的空穴会沿反方向移动。如果两电极之间的电压足够高，耗尽区内的电子会被推出空穴，从而再次获得自由移动的能力。此时耗尽区消失，电荷可以通过二极管。
当电路的负极与N型层、正极与P型层相连时，
电子和空穴开始迁移，而耗尽区将消失。
如果您试图让电流沿反方向流动，将P型端连接到电路负极、N型端连接到正极的话，电流将不会流动。N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上；P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动，PN结将不会有电流通过，耗尽区也会扩大。（有关整个过程的更多信息，请参阅半导体工作原理。）
当电路的正极连接到N型层、负极连接到P型层时，自由电子会聚集在二极管的一端，同时空穴会聚集在另一端。耗尽区会扩大。
在这种情形下，电子同空穴之间的相互作用会产生一个有趣的副作用发光！在下一节，我们将探讨其来龙去脉。
光是一种能量形式，可由原子释出。光由一些具有能量和动量但无质量的类粒子束组成。这些粒子称为光子，是光的最基本单位。
电子的跃迁会释放出光子。在原子结构中，电子在原子核周围的轨道中运动。电子在不同的轨道中具有不同的能量值。通常，能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。
为了让电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道，就必须提高它的能级。反过来，电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。这种能量就以光子的形式得到释放。能量差约大，释出的光子能量就越大，继而表现为更高的频率。（有关详细说明，请查看光的原理。）
我们在上一节已经了解到，自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。这种情况在所有的二极管中都会发生，但只有当二极管由某些特定材料制成时，您才能看到光子。举例来说，普通硅二极管中的原子会以一种特定方式排列，在这种排列下，电子跌落的距离相对而言比较短，这导致产生的光子频率过低（它们在光谱中处于红外线区域），不能为人眼所见。当然，这也不一定就是坏事：红外线LED有很多用途，例如它是制造遥控器的理想元件。
续可见光发光二极管(VLED)，例如用来点亮电子钟表中的数字的发光二极管，其构成材料就以传导带与低轨道之间的间隙较大为特征。间隙的大小决定光子的频率从而决定了光的颜色。尽管所有的二极管都能发光，但大多数发光效果并不好。在普通二极管内，大量的光能最终会被半导体材料自身吸收。LED因其独特的构造，可以向外释放大量的光子。另外，它们被安置在一个可以将光线汇聚到某一特定方向的塑料灯泡里面。如下图所示，二极管发出的大部分光线被灯泡侧壁反射回来，然后继续传播，直至它们穿过灯泡的圆形顶端。
与传统白炽灯相比，LED有几点优势。首先，它们不含可烧尽的灯丝，因而寿命更长；另外，小型塑料灯泡使得它们更加耐用。还有，它们也易于装配到现代电路中去。
而LED最主要的优势在于其高效性。传统的白炽灯泡在发光过程中会散发出大量热量（因为灯丝需要加热）。这些热能将是彻头彻尾的浪费，除非您把灯当作加热器使用，因为绝大部分的电能都没有产生可见光。相对来说，LED产生的热量甚微，电能中直接用来发光的百分比要高很多，这样可以大大降低用电需求。
LED由先进的半导体材料制成，因而相对昂贵，时至今日仍不能应用于大多数照明设备中。然而过去十年间，半导体设备的价格已经大幅下降，这使得LED照明在各种应用场合都成为一种性价比更高的选择。尽管它们起初也许会比白炽灯更贵些，但更加低廉的长期成本还是会让它们成为一笔划算的买卖。并且，它们还会在未来的科技世界中扮演更加重要的角色。
扩展阅读：发光二极管工作原理+各种颜色波长以及变色LED灯一
(一)LED发光原理：(二)各种颜色的灯的用途。(三)变色LED电路。
发光二极管工作原理
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物
制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
不同颜色的光的应用以及波长一些发光二极管产品，尤其是手电筒上的发光二极管有不同的光束颜色。这可不是使用了什么暗藏机关来使它们看上去漂亮，不同的光颜色有着不同的应用。下面就简单介绍一下最常见颜色和它的实际用途。
1、白色光有完美的颜色特性，但它会损害适应暗光的视觉，一定光源熄灭后需要一定的时间来重新适应。
2、红色光通常是用作夜视。红光不会引起你瞳孔过分收缩和一旦红光熄灭时眼睛不需要重新适应黑暗。红色也通常在单色相片处理被用作为“安全”颜色因为它不会损坏正在冲印的底片。
3、黄色光有着红色光和白色光的一些优点。黄色光另外一优点就是当你阅读时减少因为长时间阅读而导致眼睛疲劳的反射和眩目的光。4、绿色光也可以用作为夜视，绿色光还特别适用于在夜晚的时候阅读地图或图表。它还不那么容易被夜视装备发现，便很容易被人眼发现，绿色光的亮度比红色光低。
5、蓝色光可被用作在夜晚阅读地图和通常很受军事人员青睐，因为蓝色光增加了对比度的水平。它还可以用作戏院和演出时的后台工作灯色。
6、蓝绿光有着相似绿光和蓝光的夜视优点，但随着蓝绿光的颜色特性的提高，一些用户因为这个原因喜欢用蓝绿光。7、红外线红光是与夜视装备一起使用的。否则人的眼睛是看不到红外线光的。
8、紫外光通常是用作识别钞票是否伪造，一些紫外发光二极管照明物在夜总会和派对上很受欢迎，它们被用来使荧光物质发出更亮的光。
光的颜色和它的波长
光的颜色是否可以看见是由它的波长决定的，光的波长是以纳米为单位的也说是十亿分之一米。发光二极管发出的光几乎都是一致的也就是说它几乎都是在一个波长，发出非常纯的颜色。以下是光的颜色和它的波长。1、中红外线红光
4600nm-1600nm--不可见光2、低红外线红光
1300nm-870nm--不可见光850nm-810nm-几乎不可见光，3、近红外线光
780nm-当直接观察时可看见一个非常暗淡的樱桃红色光770nm-当直接观察时可看见一个深樱桃红色光740nm-深樱桃红色光4、红色光700nm-深红色660nm-红色645nm-鲜红色630nm-620nm-橙红5、橙色光615nm-红橙色光610nm-橙色光605nm-琥珀色光6、黄色光
590nm-“钠“黄色585nm-黄色
575nm-柠檬黄色/淡绿色7、绿色
570nm-淡青绿色565nm-青绿色555nm-550nm-鲜绿色525nm-纯绿色8、蓝绿色
505nm-青绿色/蓝绿色500nm-淡绿青色495nm-天蓝色9、蓝色475nm-天青蓝470nm-460nm-鲜亮蓝色450nm-纯蓝色10、蓝紫色444nm-深蓝色430nm-蓝紫色11、紫色405nm-纯紫色400nm-深紫色12、近紫外线光395nm-带微红的深紫色13、UV-A型紫外线光
370nm-几乎是不可见光，受木质玻璃滤光时显现出一个暗深紫色。白光发光二极管有微黄色的到略带紫色的白光。白光发光二极管的色温范围有低至4000°K到1201*°K。常见的白光发光二极管通常都是6500°-8000°K范围内。光源波长
科学要闻201*-09-201*:56:34阅读102评论0字号：大中小订阅
1、红外线发射管（lnfrared）：λρ=700nm、730nm、770nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm、920nm、940nm2、发光二极管(LEDLamp)：
（1）白光（White）：黄白光色温3000℃标准白光色温5000℃蓝白光色温8000℃
（2）蓝光（Blue）：深蓝B(PB)λρ=460nm浅蓝B(SB)λρ=470nm
（3）绿光（Green）：蓝绿G(BG)λρ=500nm纯绿G(PG)λρ=525nm浅绿G(SG)λρ=565nm黄绿G(YG)λρ=575nm（4）黄光（Yellow）：纯黄Y(SY)λρ=585nm琥珀黄Y(AM)λρ=595nm
（5）橙光（Orange）：橙O(SO)λρ=605nm红橙O（RO）λρ=615nm
（6）红光（Red）：橙红R(OR)λρ=625nm浅红R(RO)λρ=635nm红R(RS)λρ=645nm深红R（SR)λρ=655nm
3、紫外光（UV）灭菌灯λρ=254nm或253.7nm点光源λρ=365nm臭氧形成λρ=185nm以下
真空紫外线（UV-V），波长为100-200nm短波紫外线（UV-C），波长为200-280nm中波紫外线（UV-B），波长为280-315nm长波紫外线（UV-A），波长为315-380nm可见光（Visiblelight），波长为400760nm
LED变色灯电路剖析LED变色灯是一种新型灯泡。它的外形与一般乳白色白炽灯泡相同，但点亮后会自动按一定的时间间隔变色。循环地发出青、黄、绿、紫、蓝、红、白色光。它适用于家庭生日派对、节日聚会、过节过年，给节日添加欢乐气氛：也可用于娱乐场所及作广告灯等。该变色灯泡的特点是，节能(耗电约1W)、寿命长、使用方便、价格便宜。为什么会自动变色呢?是用什么电路来实现变色昵?把LED变色灯泡拆开来瞧瞧，通过从印制板上的元器件及走线整理出电路图．对该电路作了了解及分析。发现该电路设计得比较巧妙，有独到之处。现将该电路作一剖析，供电路设计、开发人员及爱好者作参考。变色的光学原理
变色灯是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色LED组成的。双色LED是我们十分熟悉的。一般由红光LED及绿光LED组成。它可以单独发出红光或绿光。若红光及绿光同时亮点时，红绿两种光混合成橙黄色。变色灯的变色原理如图1所示。三种基色LED分别点亮两个LED时，它可以发出黄、紫、青色(如红、蓝两LED点亮时发出紫色光)；若红、绿、蓝三种LED同时点亮时，它会产生白光。如果有电路能使红、绿、蓝光LED分别两两点亮、单独点亮及三基色LED同时点亮，则能按图1的情况发出七种不同颜色的光来。
变色灯的结构框图
LED变色灯的结构框图如图2所示。它由电容降压式稳压电源、LED控制器及G、R、B三基色LED阵列组成。由于这三部分都要装入灯头内，所以其电源采用电容器降压．全波整流及稳压二极管稳压的简单电路。
电源输出15V电压供LED阵列，输出14.6V供LED控制器。控制器的输出端(1、2、3)中有一个是低电平时(如1为低电平)，则绿色LED亮，若三个输出端都是低电平时，则发出白光(绿、红、蓝光LED都亮)。
LED控制器是变色灯的关键，它是由CD4060来承担的，先介绍一下CD4060。CD4060简介
CD4060是4000系列CMOS器件中的一种，是14位二进制计数器。它内部有两反相器，外接两个电阻及一个电容就可组成振荡器，作为时钟发生器。输入时钟脉冲时(下降沿)，输出端输出记数脉冲。它有一个复位端(Reset)，当复位端为高电平时．所有输出端都是低电平，如表1所示。
CD4060为16管脚DIP封装，各管脚排列如图3所示。其中Clockin是时钟脉冲输入，Clockout1及Clockout2是时钟脉冲输出(相位差180°，Reset是复位输入端(高电平有效)．Q4～Q14是二进制记数脉冲输出端，Vdd为电源正端(3～18V)．Vss为电源负端。
变色灯的电路图
LED变色灯的电路如图4所示。它由电源部分、变色控制部分及三基色LED阵列组成，现分别介绍其工作原理：
1．电源部分由降压电容C1、全波整流D1～D4及稳压二极管D5组成的电容降压式电路是很典型的AC/DC转换电路。经15V的稳压二极管稳压后(严格地说是被限幅后)作为驱动LED阵列的电源．经D6、C2滤波后(约14．5V)的电压供CD4060及复位的电压(高电平)。与电容C1并联的电阻R1是断开电源后，C1上的电荷经R1放电，防止灯头上带电。
这种电源的特点是，当负载的电压远小于220V时，负载上电流IL≈69C(C为降压电容，单位为uF，IL的单位为mA)。例如，C=0.47uF时，流过负载的电流约32.4mA，并且这个电流是比较稳定的：另外，这种电源尺寸小(占空间小)。其缺点是对市电是不隔离的，要求封闭在灯头内，并有良好的绝缘。2．变色控制部分变色控制部分由二进制记数器CD4060承担。时钟脉冲信号不采用一般的振荡器电路(CD4060内部有两个反相器，外接两个电阻、一个电容即可组成振荡器)，而在电源电路中串接R5，在R5上的50Hz交流电压经R3、C3组成的微分电路形成尖脉冲作为时钟脉冲信号。在输出记数脉冲中选择Q8、Q9、Q10三端与LED负极连接。当记数脉冲输出低电平时，相应的LED串被点亮。Q8、Q9、Q10的输出时序如图5所示。50Hz的周期为0.02s，Q8的周期为5.12s，Q9的周期为10.24s，Q10的周期为20.48s。
Q8接红色LED串的负极、Q9接蓝色LED的负极、Q10接绿色LED串的负极．则在Q8为高电平、Q9、Q10为低电平时，蓝光、绿光LED串亮，混色后发出青光(因Q9、Q10为低电平，Reset端为低电平)。经过2.56s后变成R、G亮，发出黄光。
在图5的时序图中，可以看到Q8到第4个周期时，Q8、Q9、Q10输出都是高电平，则三串LED都灭。为避免在变色过程中出现这种情况，在电路中增加了D7～D9三个二极管，并由R4连接到复位端(Reset)。
在刚出现Q8、Q9、Q10三端都是高电平时，此时12脚(Reset)上出现高电平。器件被复位，使Q4-Q14各输出端都为低电平(见附表)。一旦Q8、Q9、Q10出现低电平，红、绿、蓝光LED都亮，灯光成白光，即在出现红光后，当红光结束，马上变成白光，Reset端马上变成低电平，跳过了2.56s的灭灯情况，这是电路上设计的巧妙之处。
3．三基色LED阵列三基色LED(B、R、G)每串有4个LED串联而成。由于红、绿色LED的管压降与蓝色LED的管压降不同及各种发光二极管的发光强度不同，在LED串接回路中设置了不同的限流电阻．一方面强制了LED的电流．另外也使发光亮度匹配更好。LED采用视角大、亮度高的草帽型。
在图4的电路中，降压电容器C1采用了耐压250V的，虽然250V耐压的电容的实际耐压值是大于300V的，若市电的最高值是242V，其峰值电压是341V。采用耐压400V的更安全。外形与印制板
LED变色灯泡的外形如图6所示。
乳白色玻璃外罩的直径为Φ60mm。印制板分两块，一块是电源部分及控制器部分，另一块是LED阵列。电源部分及控制器部分的印制板图如图7所示(印制板外圆尺寸Φ38mm)。图中仅示出有关元器件位置及印制板的走线(并未按比例画)。LED阵列的印制板如图8所示(并未按比例画)。仅表示各色LED的排列及印制板的走线。两印制板之间有4条连接线连接，在两印制板间有绝缘垫隔离。
这里要指出的是，外部灯泡必须采用乳白色的。这样才能较好的混色，不可采用透明的材料。
这种变色灯泡的功率约1W，比较省电，但亮度差一点，比较新颖、效果不错。
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