發光二極管(LED)的工作原理-電路符號和特性

眾所周知，發光二極管（LED）是最好的光電器件之一。當器件的內部二極管結達到正向電流或電壓時，該器件能夠發出相當窄的可見或不可見光帶寬。LED發出的可見光通常為橙色，紅色，黃色或綠色。不可見光包括紅外光。該器件的最大優點是其高光功率轉換效率。也就是說，效率幾乎是簡單鎢燈的50倍。還已知LED的響應時間在0.1微秒的范圍內非常快，而鎢燈的響應時間為100毫秒。由于這些優點，該設備廣泛應用作為視覺指標和跳舞燈光顯示。

我們知道PN結可以將吸收的光能連接到其比例電流中。這里反過來相同的過程。也就是說，當PN能量施加在其上時，PN結發光。這種現象通常稱為電致發光，其可以定義為在電場的影響下來自半導體的光發射。當電子從N區交叉并與P區中存在的空穴重新結合時，電荷載流子在正向PN結中重新組合。自由電子處于能級的導帶中，而空穴位于價能帶中。因此，空穴的能級將小于電子的能級。必須消耗一部分能量以重新組合電子和空穴。

電子以硅和鍺二極管的熱量形式耗散能量。但是在砷化鎵 - 磷（GaAsP）和鎵 - 磷（GaP）半導體中，電子通過發射光子來耗散能量。如果半導體是半透明的，則結在發射時成為光源，因此成為發光二極管（LED）。但是當結被反向偏置時，LED不會產生光，相反，器件也可能被損壞。

LED發光二極管的結構圖如下所示

LED發光二極管結構圖

可以使用上面列出的所有半導體。在襯底上生長N型外延層，并通過擴散產生P區 。包括電荷載流子復合的P區域顯示為頂部。因此，P區成為器件表面。為了允許發射更多的表面區域，在P層的外邊緣處形成金屬陽極連接。為了使光盡可能地朝向裝置的表面反射，將金膜施加到表面底部。該設置還能夠提供陰極連接。通過將穹頂鏡片包括在裝置中來解決重吸收問題。通過包住設備來保護設備的電子電路中的所有電線。器件發出的光取決于所用半導體材料的類型。通過使用砷化鎵（GaAs）作為半導體產生紅外光。通過使用砷化鎵 - 磷（GaAsP）作為半導體產生紅光或黃光。通過使用鎵 - 磷（GaP）作為半導體產生紅光或綠光。

LED電路符號

LED的電路符號由兩個箭頭標記組成，表示二極管發出的輻射。

LED發光二極管特性

LED發光二極管特性曲線圖

正向偏置電壓 - 電流（VI）曲線和輸出特性曲線如上圖所示。VI曲線實際上適用于防盜報警器。需要大約1伏的正向偏壓來提供顯著的正向電流。第二個數字用于表示輻射功率 - 正向電流曲線。產生的輸出功率非常小，因此電 - 輻射能量轉換的效率非常低。

下圖顯示了連接到LED 的串聯電阻R 系列。一旦器件的正向偏壓超過，電流將根據電壓的小幅增加以更大的速率增加。這表明器件的正向電阻非常低。這表明使用外部串聯限流電阻的重要性。串聯電阻由以下等式確定。

R 系列 =（V 電源 - V）/ I

V 電源 -電源電壓

V - LED正向偏置電壓

LED電路圖

商業上使用的LED具有1.5伏至2.5伏之間的典型電壓降或10至50毫安之間的電流。確切的電壓降取決于LED發光二極管的電流、顏色、容差等。

LED指示燈

下面顯示的電路是LED發光二極管的主要應用之一。該電路的設計方法是將其與普通二極管反向并聯，以防止器件反向偏置。串聯電阻的值應相對于直流電路的值為一半。

LED指示燈電路圖

LEDS顯示器用于顯示段中的數字。一種這樣的設計是七段顯示，如下所示。通過使電流通過正確的段，可以顯示0-9的任何所需數字。為了連接這種區段，可以使用共陽極或共陰極陰極配置。兩個連接如下所示。使用晶體管可以打開和關閉LED發光二極管。

LED發光二極管的優點

• 極低的電壓和電流足以驅動LED。

• 電壓范圍 - 1至2伏。

• 目前 - 5至20毫安。

• 總功率輸出將小于150毫瓦。

• 響應時間非常短 - 僅約10納秒。

• 該設備不需要任何加熱和預熱時間。

• 尺寸小巧，重量輕。

• 具有堅固的結構，因此可以承受沖擊和振動。

• LED的壽命超過20年。

LED發光二極管的缺點

• 電壓或電流略微過大可能會損壞設備。

• 已知該裝置與激光器相比具有更寬的帶寬。

• 溫度取決于輻射輸出功率和波長。

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