第1章 LED基础知识

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种利用固体半导体作为发光材料的发光器件，现如今已经广泛应用于状态指示、照明、平板显示等场合。LED的基本结构与普通二极管一样是PN结，所以也有阳极（Anode，A）与阴极（Kathode/cathode，K）以及单向导通的特性，相应的原理图符号如图1.1所示。

当在LED两端施加正向偏置电压后，在PN结附近数微米内空穴与电子的复合就会伴随着光的辐射（产生光子），也称为电场发光或电致发光（Electroluminescent，EL）。

为了方便理解LED的发光原理，先来回顾一下电子与空穴的形成机理。最广泛用于制作半导体器件的基础材料是一种纯度非常高的硅半导体，也被称为本征半导体（Extrinsic Semiconductor），它的基本结构如图1.2所示。

从图中可以看到，硅原子的价电子数（最外层电子数）为4，每个硅原子都与附近四个硅原子共用一个价电子形成为最外层电子数为8的结构。我们把原子之间共用价电子的结构称为共价键（Covalent Bond）。由于共价键中的两个价电子属于两个相邻硅原子共同拥有，它们被束缚在两个原子核附近，所以也称其为束缚电子。当环境温度为-273.15℃（绝对温度T=0K）时，本征半导体中没有自由电子，所以它的导电性能与绝缘体一样。

但是硅原子的这种共价键结构并不是很稳定。在室温（T=300K）下，本征半导体一旦受到热能（或光照、电场等因素）的影响，束缚电子能够从原子的热运动当中获得能量，继而摆脱共价键的束缚成为自由电子（简单地说，就是束缚电子获得能量后跳出共价键结构），我们称这种现象为本征激发，如图1.3所示。

产生本征激发后的半导体材料中存在自由电子，所以它的导电能力增强了（电阻率下降）。一般环境温度越高，激发出来的自由电子也会越多，本征半导体的电阻率就会越小。同时我们也可以看到，当束缚电子跳出共价键成为自由电子之后，在原来的位置就留下了一个空位，我们称为空穴（Hole）。自由电子可以在硅晶格结构中随意迁移，而在迁移过程中，一些电子可能会填充一些空穴，我们称该过程为复合（Recombination），其结果将导致自由电子与空穴消失。当然，束缚电子也可能会再次被激发出来。

价电子所处的空间称为价带（Valence Band），使用符号E_v表示价带中电子的最大能量，把自由电子所处的空间称为导带（Conduction Band），使用符号E_c表示导带中电子的最小能量，而把处于价带与导带之间的区域称为禁带（Forbidden Band），这个区域是不存在电子的，那么本征激发就是价电子从价带跃过禁带到达导带的过程，而价电子挣脱共价键束缚需要获得的最小能量称为带隙能量（Bandgap Energy），也就是E_v与E_c的差值，使用符号E_g来表示，如图1.4所示。

生活中的台阶跳跃行为可以类比区分这三种能带。低台阶的势能相当于价带，高台阶的势能相当于导带，从低台阶跳到高台阶必然需要一个最小的跳跃力，它就相当于带隙能量，而从跳跃的开始到结束的那段空间相当于禁带，跳跃过程中人体是不会静止的，也就相当于禁带不存在电子。

很明显，本征半导体中的电子与空穴总是成双成对的（数量相等），但通过掺杂（Doping）工艺可以控制它们的数量。我们把掺杂后的本征半导体称为杂质半导体（Doped Semi-conductor），可以分为P型与N型两大类，具体可参考系列图书《三极管应用分析精粹》，现阶段只需要知道：P型半导体的空穴数量比电子多，N型半导体恰好相反。普通二极管就是由这两种杂质半导体合并而成的，我们将合并后的两部分分别简称为P区与N区，而把从P区引出的电极称为阳极，从N区引出的电极称为阴极。

前面提过，LED的发光原理是电子与空穴复合而产生的光辐射，而复合的过程就是电子从导带跃过禁带到达价带。换句话说，电子从能量高的能带跳跃到了能量低的能带，根据能量守恒定律，多余的能量就会释放出来（例如以热或光辐射的形式），如图1.5所示。

图1.5中V_F与I_F分别表示（通过限流电阻给LED施加正向偏置电压后）LED的正向导通电压（Forward Voltage）与流过LED的正向电流（Forward Current）。

当然，并不是所有半导体材料的电子与空穴复合都会以光辐射的形式体现，热辐射的形式会使器件的温度升高，这并不是我们希望看到的，研究高效能LED的主要工作就是增强（可见）光辐射的同时削弱热辐射。为此LED通常由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制造而成。我们把产生光辐射的半导体称为LED晶片（Chip），它的具体结构有几种，其中之一如图1.6所示。

在制作LED晶片时，首先在衬底生长出氮化镓（GaN）基的外延层，可作为衬底的材料也有很多，例如蓝宝石（Al₂O₃）、硅（Si）、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）等。氮化镓是与硅等同概念的半导体材料，通过掺杂即可制作出N型与P型GaN，图1.6中的发光层指的就是P区与N区交界处形成的PN结。P区上的透明导电层（Transparent Contact Layer）能够使电流进一步扩散，以达到均匀发光的目的，因为电极直接做在P区会使电流集中，而金属电极是不透光的。

将LED晶片放置在带有发射碗的阴极杆上，再通过引线与带楔形支架的阳极杆连接，然后用环氧树脂密封后就形成了我们见到的插件LED，其基本结构如图1.7所示。

制作发光层的半导体材料不同，电子与空穴所处的能量状态也会有所差别。电子与空穴之间的带隙能量越大，它们复合时释放出的能量越多，发出光的波长越短，而光的波长与颜色又是对应的（简单地说，发光的颜色是由制作LED的半导体材料决定的）。人的肉眼可以感知的光波长在380～750nm（纳米）之间，在此范围内，红光携带的能量最少（波长最长），蓝光携带的能量最多（波长最短）。

常见的LED发光颜色、波长及相应的半导体材料见表1.1。

例如，普通3mm红色插件发光二极管可能就是基于砷化镓工艺。需要特别注意：白光是由红、绿、蓝三种颜色按比例混合的效果，当红、绿、蓝的亮度分别占比为21%、69%、10%时，人的肉眼感觉到的便是纯白色，后续我们还会进一步讨论。

LED发出的光的波长都会有一定范围，数据手册通常会标注主波长λ_d（Dominant Wavelength）、峰值波长λ_p（Peak Wavelength），以及光谱半宽度Δλ（Spectral Line Half Width）等参数。主波长决定了发光的颜色，光谱半宽度则反映LED晶片发出的光的纯度（也就是饱和度，例如，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫在视觉上是高饱和度的颜色，它们是没有混入白色的窄带单色，加入白色越多会导致混合后的颜色纯度越低），它是指1/2峰值发光强度（Luminous Intensity，简称光强）对应波长的差。某LED的光谱分布曲线如图1.8所示。

光强的单位是坎德拉（candela，cd），简称“坎”，常用单位是毫坎（mcd，1cd=1000mcd）。图1.8中的纵轴为相对光强，它把峰值波长对应的光强（也就是最大发光强度）定义为1。随着光的波长与峰值波长的差值越大，相对光强也就越小。

LED发出的光通常具有一定的方向性，所以从不同角度测量得到的光强也不尽相同，我们可以使用LED光强空间分布图来描述，如图1.9所示。

图1.9中位于光源法线（中垂线）方向对应的相对光强仍被定义为1，与法线之间的夹角越大，相对光强会越小。数据手册中标注的半强角度（Angle of Half Intensity）φ是指光源以法线为中心往四周张开时，相对光强下降到0.5时的方向与法线之间的夹角（图1.9所示半强角度为±40°）。另外，还把半强角度的2倍称为视角或半功率角。当然，即使是同一个批次的晶片，制造出来的LED光强也会有所不同，通常厂家会按光强进行的等级分类。

接下来重点关注LED的实际应用电路。LED作为直流电压的状态指示应用非常简单，只需要与LED串联一个限流电阻即可，如图1.10所示。

在直流电源V_CC已知的情况下，限流电阻R₁的大小可由式（1.1）计算

LED的光强与流过其中的电流大小直接相关，从这个角度来讲，LED是电流驱动型器件。流过某LED的正向电流与发光强度的关系曲线如图1.11所示。

限流电阻过小将导致流过LED的电流过大，从而影响LED的寿命甚至造成损坏，限流电阻过大则可能导致LED光强达不到要求。那限流电阻应该设置多大才合适呢？来看某款插件LED的数据手册，如图1.12所示。

最大额定值（Absolute Maximum Ratings）中有一项直流正向电流I_F，其值为50mA，而在“光电特性（Optical and Electrical Characteristics）”参数中可以看到V_F典型值为2V（比普通二极管要大很多）。也就是说，对于图1.10所示电路，如果V_CC=5V，则限流电阻不应该小于（5V-2V）/50mA=60Ω。当然，在长时间正常工作时，流过LED的电流不应该设置为最大值，实际使用时不要超过其数据手册中标注的测试电流值（图1.12所示为20mA）即可，以免电流波动超过测试值，对LED的工作效率与寿命产生影响。假设工作电流为15mA，则相应的限流电阻应为（5V-2V）/15mA=200Ω。

LED用作交流电源指示时，还需要考虑最大反向击穿电压。我们前面已经提过，LED发光原理是电子与空穴复合产生的能量以光辐射的形式表现出来，也就是说，参与复合的载流子越多，相应的光强就会越大。为了使LED能够发出更强的光，制作LED的两块半导体通常都是高掺杂的，而高掺杂的PN结容易出现齐纳击穿，所以大多数（不是所有）LED的反向击穿电压一般不高于7V，具体可参考系列图书《三极管应用分析精粹》，此处不再赘述。

从图1.12所示数据手册可以看到，该款LED的反向电压最大额定值为5V，所以在交流输入电压幅值大于5V的场合，必须增加相应的保护电路。典型应用电路如图1.13所示。

图1.13中增加了一个二极管VD₂与LED反向并联，它可以是一个普通的整流二极管，或者本身也是一个LED，这样反向并联的两个二极管两端的电压降总是能够被限制得很低。

如果使用单片机（Micro Controller Unit，MCU）之类的处理器来控制LED，为了避免消耗的电流过大（尤其需要控制的LED数量很多时）而产生热稳定性问题，通常会使用三极管[1]间接驱动LED，这样（直接驱动三极管基极的）单片机引脚的工作电流可以低至微安级别，其典型电路如图1.14所示。

前面讨论的都是使用电压源驱动的小功率LED，但是在照明应用的中大功率LED驱动电路中，恒流源驱动方式更为常用。在电压源驱动方案中，虽然我们能够使用限流电阻与LED串联来设置所需要的电流，但是LED开始工作后内部温度会逐渐上升。大功率白光LED灯珠的正向驱动电流会达到数百毫安，消耗的功率会超过1W（根据P_D=V_F×I_F），所以通常会使用铝基板（而不是普通FR4基材的PCB）与散热器配合散热，而PN结的正向导通电压降具有负温度系数的特性（即温度越高，正向导通电压降也会越小），这样流过LED的工作电流会进一步增大，导致温度升高后又反过来促使PN导通电压降的减小，如此恶性循环的结果将促使工作电流过大而导致LED光强比原来要小，而光强减小的这一部分就是我们所说的“LED光衰”。

恒流驱动方案克服了电压源驱动方案的缺点，它也是中大功率照明应用LED的主流驱动方式。最简单的恒流源驱动电路如图1.15所示。

很明显，流过LED的电流与其正向导通电压降无关，仅与三极管的基极电位及限流电阻R₁有关，可通过式（1.2）计算（假设单片机引脚输出的高电平为V_CC）

当然，也可以使用专用芯片进行LED恒流驱动，这一点会在后续章节详细讨论。

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[1]即双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），三极管为俗称，后文同。