发光二极管

一，发光基二极管

发光二极管（Light Emitting Diode）：是一种会发光的半导体组件且具备二极管的电子特性；所以，LED首先是一只二极管（结构），其次它会发光（功能）。

LED工作原理是：二极管的“空穴”和“自由电子”在电压作用下流向PN结，当“空穴”和“自由电子”相遇而产生复合，当电子从导带跌落到较低能带，同时以光的形式释放出能量；这种方式转化光能的效率非常高。

可能有人会有错觉：电子从导带跌落到价带，那么电子受到的电磁力就更大了，那电磁能量是不是应该是增加了丫？

那我们不举例子，来打个比方：我不敢从1层楼的高度向下跳，就从1米高跳到地面上，是释放能量还是吸收能量？很明显，我们跳下来时重力势能会转化成动能，相对重力势能来说是减小了。所以，我们再来复习一遍能级理论：离原子核越远的电子轨道，其电子的能级越高。好比我离地球越远，那么重力势能就越大是一样的。

同时，由于不同的半导体和杂质，“自由电子”和“空穴”复合后产生的能量不同（禁带宽度不同），所以根据不同的半导体材料和杂质材料，LED可以发出不同颜色（发光频率）的光，下图是可见光的波长分布；人类的视觉范围在可见光区域，当然LED能够发出紫外、红外等更多波长的不可见光，同时这些光在各种不同领域中都有十分广泛的应用。

1，发光二极管结构和种类

LED的工作原理跟其它二极管相比似乎并没有特殊的地方，所有PN结结构的二极管正向导通后都会有“自由电子”和“空穴”复合的现象发生，但是为什么我们只看到了LED发光，而其它二极管没见到它们发光呢？

我觉得这很大部分原因取决于发光二极管的结构，它由以下几个部分构成：

1. 芯片：光源发光；

2. 支架：包括衬底及散热基座、引脚等（散热、导电）；

3. 金线：导电；

4. 透明树脂：保护晶粒、透光。

1. LED芯片通过透明树脂/塑料保护外罩，可以让光穿透“封装”传到外面；而普通二极管被塑封在不透明的外壳中，光线被阻挡在封装里面；

2. 普通二极管不会去设计PN结中“自由电子”和“空穴”复合后释放的能量大小，所以能量对应的光波长很可能落在可见光之外。

我们正常在设备或单板上使用的LED灯，只是发光二极管中很少的一部分。各种不同的发光二极管已经覆盖了我们生活的方方面面，包括：手机电筒，强光手电，家用节能灯，夜视监控摄像头，以及各种显示数码管等等。

根据LED的不同封装、发光面和特性的不同，LED大致分成如下几个类型：

1. 插件型LED：插件型LED除了常见的2个腿的单色型LED，还包括3个引脚的双色型LED，此外还有4个引脚的RGB全彩LED；

2. 贴片型LED：常贴片型SMD的LED分为0402、0603、0805、1206等封装，颜色有单色、双色和RGB全彩；

插件和贴片型LED在单板上应用非常多，多用于设备功能、状态和接口状态指示等；

3. 高功率LED：这类LED通常是照明用途，多数是发白色光的LED，功率可达数瓦；

4. LED数码管：将多个LED作为各个字段，组成特定字母、数字、米字型，或则条段型等；

5. LED点阵屏：将LED组成矩阵式，可显示中英文字母，按颜色，可以是单色、双色或RGB全彩；

6. 智能LED：这种LED不仅内含LED灯芯，还内置了控制电路，能实现特定的功能，如闪烁或命令控制各个点的颜色等；

7. 特殊LED：可发出人眼睛不可见光：如红外线、紫外线等；用于遥控器、夜视监控等。

2，发光二极管主要参数

1. 正向电压VF：指正向电流流过时，阳极A与阴极K之间产生的电压；

1, 当正向电压小于阈值：电流极小，不发光；

2, 当正向电压超过阈值：正向电流随电压迅速增加、发光；

3, 当正向电压超过工作电压范围：LED可能被击穿；

4, 不同发光颜色的LED，其正常的正向电压也不同，如红灯：1.8~2.0V；蓝、白灯：2.8~3.3V。

2. 正向电流IF：指加正向电压时，阳极A与阴极K之间产生的电流；

1, 一般LED的正向电流控制在20mA以内（具体根据器件资料），过大的电流容易导致LED的Tj过高，从而导致LED损坏或影响使用寿命；

2, LED在电压增加时，电流类似普通二极管指数增加，需要串接保护电阻。

3. 发光强度IV： 表示从特定方向观测到的亮度（单位：cd /mcd）；

1, 光强是指单位立体角内发出的光通量，比较光强时需要注意指向角；

2, 透镜可以向特定方向集中光输出（透镜集光），即使光输出小也能集光使光强变大；

3, IV值需指定LED是在多大的正向电流IF条件下测量到的。

这里出现了一个特殊的单位：cd/mcd；这是国际单位制中与长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量等组成了7个国际基本单位。这么有来头的单位，我们将它翻译成中文是：坎德拉/毫坎德拉；这个单位的名字初一看毫无头绪，再一看还是一脸懵逼；那我们只能将中文名再音译回英文名：Candle；然后再意译成中文：烛光。

不错，坎德拉最早指的是一只蜡烛发出来的光的强度；后来定义：光源在给定方向上的发光强度，一单位立体角内发出1流明的光称为1坎德拉。在地球上赋予万物以生命的太阳光强度约为：1.5* cd/m2；而充满诗情画意的月光强度大约为：1000 cd/m2。

那又出来一个新的名词：流明。这又是什么？我们继续往下看。

1. 光通量Φv：指从光源发射出来的全部光量（单位：lm/流明）；

光通量（luminous flux）是指：人眼所能感觉到的辐射功率（光源向四周辐射的总光能量），它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

——举个例子，人眼对蓝绿色敏感（视见率大），而对红色和紫色不敏感（视见率小），所以发出同等绿色和红色功率的光，我们感受到的光强度是不一样的。

2. 主波长λD：LED一般用波长表示颜色，主波长相当于眼睛看到的颜色所对应的波长（单位：nm）；

1, 白色一般由其它颜色复合（RGB/B+Y）所得；

2, 不同LED材料对应的发光颜色，如下图所示；

3. 色度坐标：指用二维正交坐标系（x（R）和y（G））表示LED发光颜色的实际值；因为图表中R+G+B = 1，所以没标出的B = 1-R-G；如下图所示。

4. 色温：喜欢摄影的朋友应该比较熟悉，是指光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温；色温越低，颜色越偏向橙色，色温越高，颜色越偏向蓝色。

那黑体（Black body）是什么呢？是颜色全黑的物体么？

我们来看下黑体的定义：一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，反射系数为0。

黑体不一定是黑色的，即使它没办法反射任何的电磁波，它也可以放出电磁波来，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变；太阳可以看做是黑体。

若黑体的温度高过700K的话，黑体就不再是黑色的了，它会开始变成红色，并且随着温度的升高，而分别有橘色、黄色、白色等颜色出现，即黑体吸收和放出电磁波的过程遵循了光谱，其分布为普朗克分布（或称为黑体轨迹）。在黑体的光谱中，由于高温引起高频率（短波长），因此较高温度的黑体靠近光谱结尾的蓝色区域而较低温度的黑体靠近红色区域。

所以我们看到一种反直觉的现象：物体发出来光，随着温度增加，从“暖色调”变成了“冷色调”。我初中时上下学都会路过一家铁匠铺，偶尔停下来看铁匠打造锄头（当年有武器大师的梦想），然后发现：铁块刚从炉子里拿出来是白色的，但随着温度慢慢降低，铁块的颜色从白色慢慢变成了红色、暗红色。

1. 发光视角：发光强度分布图中发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角，从发光强度角来分，可分为三类：

1, 高指向：半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性；作为局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测系统；

2, 标准型：其半值角为20°～45°，通常作指示灯用；

3, 散射型：半值角为45°～90°或更大，用作视角较大的指示灯。

2. 工作温度：影响二极管工作的一个重要参数，对光强电流等参数都有很大影响；

3. 使用寿命：LED是固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内没有松动的部分，不存在发热易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上；

4. V-I特性：LED的电压和电流之间的关系；示意图如下图所示。

3，发光二极管应用场景

LED具有最大正电流IFM和最大反向电压VRM，在使用时应保证不超过此值；设计时一般要求：IF<0.6*IFM，VR<0.6*VRM。

LED广泛应用于电子设备和电子设备中：

1. 用作指示：设备电源/工作状态指示，通信端口工作状态指示，板内芯片工作状态指示等；

2. 用作光源：LED手电筒，手机照明灯等；

3. 红外光LED：视频监控夜视光源，电视机遥控器等。