美国Optodiode发光二极管的材料和工作原理

美国Optodiode发光二极管LED是将电能转换为光能的半导体，发射光颜色取决于半导体材料和构图。LED通常分为紫外光、可见光和红外光三种波段。

商用led单像素输出功率至少为5mW，波长范围为360nm到950nm，每个波长范围由特定的半导体材料制成。

LED的工作原理

LED是半导体二极管，当电流应用于设备的正向时，它就会发光。必须施加足够大的电压，使电子穿过损耗区，并与另一侧的空穴结合，形成电子-空穴对。当这个过程发生时，电子以光的形式释放它的能量，结果就是发射光子。

半导体的带隙决定了发射光的波长，更短的波长等于更大的能量，因此带隙越大的材料发射的波长越短。带隙越大的材料也需要更高的传导电压。短波紫外线蓝LED的正向电压为3.5伏，而近红外LED的正向电压为1.5-2.0伏。

波长有效性和效率

高效率led可以在任何波长范围内生产，只有535nm到560nm范围不能生产高效率led灯。一个特定波长是否商业化的最主要因素与市场潜力、需求和行业标准波长有关，这在420nm-460nm、480nm-520nm和680nm-800nm区域尤为明显，因为这些波长范围没有被大量的应用，也就没有大量的制造商为这些波长范围提供LED产品。尽管如此，还是有可能找到中、小型供应商，根据客户需求提供这些特定波长的产品。

每种材料技术在波长范围内都有一个光斑最有效的范围。这个点非常接近每个范围的中间。随着半导体掺杂水平从最佳量增加或减少，效率下降，这就是为什么蓝色LED比绿色或近紫外光有更大的输出，琥珀色比黄绿色有更多的输出，近红外优于660nm。如果要做选择的话，最好对范围的中心而不是边缘进行设计，如果你不是在材料技术的边缘操作，会更容易获得产品。

紫外发光二极管：320-360nm

UV LED正在迅速商业化，专门用于工业固化应用和医疗/生物医学用途。直到最近，较低波长的高效芯片限制从390nm转移为360nm，未来几年的发展可能会看到320nm高效芯片的商业化地区。

近紫外至绿色LED：395nm-530nm

该波长范围产品的材料是氮化铟镓InGaN，从技术上讲，它是可以使波长介于395纳米~530纳米之间。然而，大多数大型供应商专注于制造蓝色450nm-475nmLED，用于制造带有荧光粉的白光，以及用于交通信号绿色照明的520nm-530nm范围的绿色LED。

快速进步和提高效率在蓝色波长范围内被注意到，特别是随着创造越来越亮的白色光源的竞赛继续进行。

黄绿至红光LED：565nm-645nm

铝铟镓磷化物AlInGaP是用于此波长范围的半导体材料，主要用于交通信号灯黄色（590nm）和红色（625nm）照明。石灰绿（或黄绿色565nm）和橙色（605nm）也可以从这项技术中获得，但它们有一定的局限性。该技术正在迅速发展特别是由于商业增长而引起对制作红绿蓝白光灯感兴趣。有趣的是，无论是InGaN还是AlInGaP技术都是以纯绿色形式提供（555nm）发射器。在这个纯绿色区域确实存在较旧、效率较低的技术，但它们不被考虑高效或明亮。由于缺乏市场的兴趣或需求，因此缺乏资金来开发该波长区域的替代材料技术。

深红光至近红外（IRLED）：660nm-900纳米

该区域的器件结构有很多变化，但都使用铝砷化镓AlGaAs或砷化镓GaAs材料。目前仍在推动提高这些设备的效率，但这些提高只是渐进式的改进。应用包括红外IR遥控、夜视照明、工业光控和各种医疗应用(660nm- 680nm)。

为led提供电流和电压

虽然led是半导体，需要最低电压才能工作，但它们仍然是二极管，需要在电流模式下工作。在直流模式下，led有两种主要的操作方式。最简单和最常见的是使用限流电阻(见图1)。这种方法的缺点是在电阻中有很高的热量和功率损耗。为了使电流在温度变化和设备之间保持稳定，电源电压应该远远大于LED的正向电压。

图1 -应用方程I=(Vcc-Vf)/RL求出当前值。为了绝对确定电路中的电流流量，必须测量每个LED VF并指定适当的负载电阻。在实际的商业应用中，Vcc被设计成比VF大得多，因此VF的微小变化不会对整体电流产生很大的影响。这个电路的缺点是通过RL产生了很大的功率损耗。

在工作温度范围很窄(小于30°C)或LED输出不是关键的应用中，可以使用一个简单的电路，利用限流电阻，如图所示: 驱动LED的更好的方法是使用恒定电流源(见图2)。该电路将提供相同的电流从设备到设备和超过温度的变化。它也有较低的功耗比使用简单的限流电阻。

商业的，现成的LED驱动器可以从许多不同的来源获得。通常，这些操作使用脉冲宽度调制(PWM)原理的亮度控制。

图2 -精确稳定的电路示例。这种电路通常被称为恒流源。注意，电源电流是由电源电压(Vcc)减去Vin除以R1， (Vcc-Vin)/R1决定的。

在大电流和/或高压模式下的脉冲led用于串并联配置的阵列产生了一系列独特的问题。对于新手设计师来说，设计一个电流控制的脉冲驱动器提供5安培和20伏是不实际的。有一些脉冲led专用设备的制造商(见图3)，如Gardasoft Vision。

图3Gardasoft Vision的PP500系列LED照明控制器