LED

LED或发光二极管是一种发光源设备。当电流通过它时，它会发光。LED的概念基于半导体器件，其中空穴和电子重新结合以光子形式产生能量。

LED的符号如下图所示

对发光材料的需求源于对辐射波长的需求。LED用于不同的应用，例如装饰灯、遥控电路等。在这里，我们将讨论LED的发明、彩色LED、LED的类型、优点等。

在这里，我们将讨论以下主题

• LED的工作原理
• LED的组成部分
• LED灯泡的组成部分
• LED的发明
• 彩色LED
• LED的应用
• 差异
• LED的优点和缺点

LED的工作原理

在电子学中，LED被定义为具有产生可见光所需能隙的p-n结二极管。

该半导体由p结、n结和它们之间的中性区组成。p结拥有多数载流子空穴（带正电），而n结拥有多数载流子电子（带负电）。如下图所示

让我们讨论LED的工作原理。

工作方式

当对p-n结二极管施加足够的前向电压时，多数载流子获得足够的能量穿过中性区。这些电子与其他的多数载流子空穴重新结合。这种重新结合看起来像是粒子从高能态到低能态的跃迁。因此，它产生电磁辐射。每次电子与空穴重新结合时，静电势能都会转化为电磁能。释放的能量以光子的形式出现，如下图所示

在这里，正向偏置电压起着重要作用。施加到电子和空穴上的静电能量应该与能带隙相当，以产生所需的辐射。

大多数发光二极管在1V到4V的低电压下工作。它消耗10mA到40mA的电流。

考虑以下LED结构

能带隙

能带隙定义为价带顶部和导带底部之间的能量差。直接能带隙是LED发射辐射所需的能带隙。由于在复合时没有动量转移，因此在复合时会发射光子。每当存在一些动量转移的振动时，我们就会得到一个声子而不是一个光子。

红外和远红外发射需要0.1到1.8eV之间的较低能带隙，而产生可见辐射则需要2eV左右的较大能带隙。

掺杂高能带隙材料很困难，因为这类材料具有高熔点。因此，LED的能带隙约为1.6或1.8eV。

LED的组成部分

一个电阻与LED串联连接，以防止其电流过大。这是大多数项目中用来防止其损坏的概念。

LED的组成部分如下所示

• 透镜
  LED中的透镜用于均匀分布光线。
• LED芯片
  LED芯片是产生光的小黄色部件。它连接在一块金属上。
• 反射腔
  反射腔是确保光线方向的表面腔。它会汇聚光线以保持其亮度。
• 平边
  LED的平边可防止引线扭曲。电流通过引线导致LED发光。因此，防止引线发生任何扭曲至关重要。
• 引线键合
  引线键合是LED的重要组成部分，它连接LED芯片。它还提供引线框架和发光芯片之间的电连接。
• 半导体二极管
  半导体二极管是一种p-n结材料，涂有杂质。杂质会激发电子，使LED发光。LED能够重度掺杂是其广泛应用的重要因素之一。用于制造LED的材料和能带隙决定了它能发射的辐射。例如，GaAs（砷化镓）用作红外辐射的材料。
• 两根引线或端子
  LED有两个端子，称为阴极（负极）和阳极（正极）。阳极是LED较长的引线，而阴极是较短的引线。

小型LED的组件与LED灯泡的组件大相径庭。LED灯泡可以在低电压和高电压下运行。功率或电压越高，LED灯泡的亮度就越高。

LED灯泡的组成部分

让我们讨论LED灯泡的组件。

• 透镜

LED中的透镜用于均匀分布光线。有时，塑料材料用作LED的外透镜，以防止其损坏。

• 散热器和金属
  它是LED所连接的一块金属。它为热量从LED传递到其他元件提供了路径。
• LED芯片
  LED芯片是产生光的小黄色部件。它连接在一块金属上。热量通过电路，然后冷却，这被称为散热器。
  芯片存在于PCB板上。对于多个LED，使用多个芯片。
• 驱动器
  电路板向LED发出信号以改变颜色、打开、关闭等。驱动器从插座获取能量。它还可以防止设备出现任何电流或电压波动。
• 底座设计
  LED灯泡有不同的底座设计。它位于LED的底部。
• 外壳
  LED需要外壳连接才能工作。它通常是铝涂层塑料外壳。触摸时可能会有点热，但不像荧光灯那样太热。

LED的发明

• 1907年，亨利·约瑟夫·朗德（无线电的早期探索者）和古列尔莫·马可尼（无线电的发明者）在研究碳化硅（一种由碳和硅组成的半导体）和猫须检波器（一种用于无线电接收器的电子元件）时发现了发光现象。H.J. 朗德也是古列尔莫·马可尼的助手。
• 1927年，俄罗斯科学家和发明家奥列格·弗拉基米罗维奇·洛谢夫首次研究并提出了第一个LED理论。
• 1955年，美国物理学家和教育家鲁宾·布劳恩斯坦报告说，砷化镓（GaAs）等材料以及半导体的其他合金可以发射红外辐射。他还报告了其他负责红外发射的材料，如磷化铟（InP）和锑化镓（GaSb）。
• 1962年，美国教育家和工程师小尼克·霍洛尼亚克展示了第一个红色可见光谱LED。同年12月，美国电气工程师乔治·克拉福德发明了第一个黄色发光二极管（LED）。
• 1976年，P. 皮尔索尔发明了第一个高效高亮度的LED。当时，引入了适用于光纤通信的半导体材料。

彩色LED

LED有不同的颜色。让我们讨论不同颜色的LED以及它们彩色灯光背后的概念。荧光粉浓度的变化会导致色温的变化。荧光粉定义为存在于半导体芯片上的物质，用于显示发光特性。荧光粉负责LED中的彩色灯光。LED大约有1600万种色调。

所以，让我们讨论不同的彩色灯光以及它们彩色照明背后的概念。

白色LED

白光可以通过两种方式形成。一种方法是产生三种彩色光（红、绿、蓝）并将它们组合起来。另一种方法称为荧光，它被定义为一种过程，其中荧光粉涂层将一种彩色光转换为另一种彩色光。例如，蓝光转换为白光。

蓝色LED

灯泡中存在的荧光化学物质用于将白光转换为蓝光。这种化学物质叫做氮化镓。蓝色LED被认为是具有抗菌特性的最佳光线。

红色LED

用于红色LED灯的材料称为砷化镓磷（GaAsP）。它是一种半导体材料。

绿色LED

一些制造商在蓝光上使用荧光粉材料将其转换为绿光。荧光粉材料用于将高能光谱转换为低能光谱。

RGB LED

RGB（红、绿、蓝）LED是三种不同基本颜色LED的组合。其他颜色仅由这三种基本颜色形成。这三种颜色的亮度和强度可以改变以产生不同的颜色。

变色LED

很多时候，我们看到相同的LED灯光一种颜色接一种颜色地变化。这种LED主要用于装饰目的。我们一定很困惑一盏灯怎么能显示不同的颜色。答案是不同的材料，它们在不同波长发射光子。这些光子呈现为彩色光。

很多时候，我们看到相同的LED灯光一种颜色接一种颜色地变化。这种LED主要用于装饰目的。我们一定很困惑一盏灯怎么能显示不同的颜色。答案是不同的材料，它们在不同波长发射光子。这些光子呈现为彩色光。

一些LED使用不同的材料，它们在不同波长发射光子，呈现为彩色光。所有颜色都由红、蓝、绿三种基本颜色生成。

让我们通过一个例子来理解。

黄色LED

两种波长的光结合产生不同的颜色。黄色是绿色和红色光的组合。增加红色的量将形成橙色。通过改变它们的强度来改变颜色的量。

LED的应用

我们已经讨论了LED的组件和不同颜色。接下来讨论LED的不同应用。

• 装饰灯
  LED或多色LED用作装饰灯，带有两根电源线，当电压施加到两根引线时，可以像开关一样插入，点亮不同的LED灯。
• 手电筒
  LED广泛用作家用、工业等场所的手电筒。它也存在于矿工的前头盔上。这种手电筒的工作不需要任何外部电源。这些手电筒包含电池，为LED提供能量以发光。我们可以轻松地为这些手电筒充电。
• 交通信号灯
  LED有红、黄、绿三种基本颜色。这些是交通信号灯的理想颜色。这种LED彩色灯不需要透镜来过滤颜色。这是因为这些颜色非常适合用于交通信号灯。
• 医疗设备
  LED用于各种医疗设备，用于治疗不同的医疗问题，如皮肤护理、角化病、伤口愈合、牙科等。
• 汽车前照灯
  LED用作各种汽车设备（如汽车、自行车、卡车等）的前照灯。这是因为LED具有定向能力，可以将光线传播到一个方向。它还提供更好的设计、更高的安全性和高发光效率。
• 相机闪光灯
  智能手机和相机使用LED闪光灯，即使在弱光条件下也能增强摄影效果。这意味着LED闪光灯作为人造光源工作。由于能耗低、光线更柔和、照明更好，LED闪光灯优于其他光源。
• 图像检测
  工业中的自动图像检测需要连续明亮的照明。因此，LED在这种应用中受到青睐。
  许多扫描仪使用红色LED进行条形码扫描，而不是激光。LED是大多数工业应用中紧凑而可靠的能源。
• 光纤通信
  光纤中的发光器是系统的重要组成部分。光纤中使用的两种LED称为表面发光LED和边缘发光LED。LED将电能转换为光能，并在光纤的两端之间传输。
• 数据通信
  使用LED可以产生高数据带宽。因此，引入了VLC。VLC或可见光通信是一种使用可见光进行通信的数据通信类型。它已取代了无线电带宽用于数据传输。

差异

让我们讨论一下LED、荧光灯和白炽灯之间的一些区别。

LED与荧光灯

最初，荧光灯是照明的一部分。如今，LED已在从家庭到工业的各种应用中取代了荧光灯的使用。

让我们讨论一下LED和荧光灯之间的一些区别。

LED与白炽灯

在这里，我们将讨论LED和白炽灯之间的一些区别

LED相对于其他光源的优缺点

让我们讨论一下LED相对于其他光源的一些优缺点

优点

• 尺寸
  LED有从小到大不同的尺寸。小LED可以轻松连接到PCB。这里，PCB代表印刷电路板。大LED用于家庭、工业等。
• 低能耗
  发光二极管比荧光灯和白炽灯消耗大约75%的能量。这是因为LED由二极管灯组成，而其他灯由灯丝灯组成。二极管灯比灯丝灯效率高得多。
• 不同颜色
  LED无需使用任何滤色器即可发出不同颜色的光。最常用的LED颜色是柔和白光和亮白光。
• 寿命更长
  LED的寿命可达十年，具体取决于条件和使用情况。它是一种持久耐用的产品，寿命比白炽灯长50倍，比荧光灯长10倍。
• 不易损坏
  LED是固态设备，非常不易受到任何外部冲击的损坏。
• 高强度
  LED的强度高于其他类型的灯，例如荧光灯、卤素灯和白炽灯。通过LED电路的电流或电压越高，LED的强度就越高。与LED串联的电阻用于防止LED电流过大。
• 定向性
  定向性意味着LED以单一方向发光；白炽灯和荧光灯光源向所有方向发光。LED的单一或特定定向能力节省了能源和光线。
• 冷却效果
  LED不散发任何辐射热。这增加了LED内部的冷却负荷。
• 提高安全性
  提高LED的安全性是其重要优点之一。所有光源都会散发热量，有时可能很危险。LED可以在低电压下有效运行。它不散发正向热量或任何污染性辐射。因此，在家庭或项目中安全使用LED。
• 不同形状
  LED有不同的形状样式。我们可以根据我们的要求选择LED。
• 效率
  LED的效率远高于白炽灯和荧光灯。尺寸、颜色和形状对LED的效率没有影响。
• 即时照明
  LED在通电后立即以全亮度发光。同时，其他光源需要更长的时间才能达到最大亮度。
• 可靠性
  LED比其他类型的光源更可靠。LED可以承受振动、波动，并且可以在较低温度下工作。这是因为LED中没有易碎部件和灯丝。

缺点

• 高成本
  与其他类型的光源相比，LED成本较高。但是，近年来价格持续下降。因此，LED已取代了CFL和白炽灯泡的使用。
• 冬季影响
  与其他光源相比，LED不发热。用作信号灯的LED灯无法清除雾或雪，这可能导致因这些灯的不可见性而发生事故。
• 温度敏感性
  LED在高温环境下过度使用可能会失效。为了解决此类问题，需要散热器。散热器被定义为将机械或电子设备的过量热量传递到空气或冷却剂（液体）的过程。它散发设备中的过量热量，从而保持其温度。
• 对野生动物的影响
  一些强烈的蓝色和白色LED在孵化点附近使用时会干扰乌龟在陆地上的移动。