LED的基本結(jié)構(gòu)與簡單應(yīng)用

LED的定義與結(jié)構(gòu)組成：   

    LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極， 另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這 邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子 跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。 

LED的發(fā)光原理

發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。 　　

假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲 后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不 能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。 

LED焊接技術(shù)要求及操作注意事項

1、生產(chǎn)時一定要戴防靜電手套，防靜電手腕，電烙鐵一定要接地，嚴禁徒手觸摸白光LED的兩只引線腳。因為白光LED的防靜電為100V,而在工作臺上 工作濕度為60%-90%時人體的靜電會損壞發(fā)光二極體的結(jié)晶層，工作一段時間后（如10小時）二極體就會失效（不亮），嚴重時會立即失效。 　　

2、焊接溫度為260℃，3秒。溫度過高，時間過長會燒壞芯片。為了更好地保護LED,LED膠體與PC板應(yīng)保持2mm以上的間距，以使焊接熱量在引腳中散除。 　　

3、LED的正常工作電流為20mA,電壓的微小波動（如0.1V）都將引起電流的大幅度波動（10%-15%）。因此，在電路設(shè)計時應(yīng)根據(jù)LED的壓降配對不同的限流電阻，以保證LED處于最佳工作狀態(tài)。電流過大，LED會縮短壽命，電流過小，達不到所需光強。 一般在批量供貨時會將LED分光分色，即同一包產(chǎn)品里的LED光強、電壓、光色都是的，并在分光色表上注明。

LED損壞的原因及LED電路保護的方法

白光LED屬于電壓敏感型的器件，在實際工作中是以20mA的電流為上限，但往往會由于在使用中的各種原因而造成電流增大，如果不采取保護措施，這種增大的電流超過一定的時間和幅度后LED就會損壞。
 
造成LED損壞的原因主要有：
①供電電壓的突然升高。
②線路中某個組件或印制線條或其他導線的短路而形成LED供電通路的局部短路，使這個地方的電壓增高。
③某個LED因為自身的質(zhì)量原因損壞因而形成短路，它原有的電壓降就轉(zhuǎn)嫁到其他LED上。④燈具內(nèi)的溫度過高，使LED的特性變壞。
⑤燈具內(nèi)部進了水，水是導電的。
⑥在裝配的時候沒有做好防靜電的工作，使LED的內(nèi)部已經(jīng)被靜電所傷害。盡管施加的是正常電壓和電流值，也是極易造成LED的損壞。

那么，我該怎么樣進行LED電路的保護呢？

1.保護電路中采用保險絲(管)

由于保險絲是一次性的，且反應(yīng)速度慢，效果差、使用麻煩，所以保險絲不適宜用于LED燈成品中，因為LED燈現(xiàn)在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。它要 求LED保護電路要很苛刻：在超出正常使用電流時能立即啟動保護，讓LED的供電通路就被斷開，使LED和電源都能得到保護，在整個燈正常后又能夠自動恢 復(fù)供電，不影響LED工作。電路不能太復(fù)雜體積不能太大，成本還要低。所以采用保險絲的方式實現(xiàn)起來很困難。

2.使用瞬態(tài)電壓抑制二極管（簡稱TVS）

瞬態(tài)電壓抑制二極管是一種二極管形式的高效能保護器件。當它的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，能以10的負12次方秒極短時間的速度，使自己兩極間的高阻 立即降低為低阻，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，把兩極間的電壓箝位在一個預(yù)定的電壓值，有效的保護了電子線路中的精密元器件。瞬態(tài)電壓抑制二極管具有響應(yīng)時 間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差一致性好、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點。

但是在實際使用中發(fā)現(xiàn)要尋找滿足要求電壓值的TVS器件很不容易。LED光珠的損壞主要是因為電流過大使芯片內(nèi)部過熱造成的。TVS只能探測過電壓不能探測過電流。要選擇合適的電壓保護點很難掌握，這種器件就無法生產(chǎn)也就很難在實際中使用。

3.選擇自恢復(fù)保險絲

自恢復(fù)保險絲又稱為高分子聚合物正溫度熱敏電阻PTC， 是由聚合物與導電粒子等構(gòu)成。在經(jīng)過特殊加工后，導電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過（或組件處于正常環(huán)境溫度）時，PTC自恢復(fù)保 險絲呈低阻狀態(tài)；當電路中有異常過電流通過（或環(huán)境溫度升高）時，大電流（或環(huán)境溫度升高）所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，也就切斷了導電粒子所構(gòu)成的導 電通路，PTC自恢復(fù)保險絲呈高阻狀態(tài)；當電路中過電流（超溫狀態(tài)）消失后，聚合物冷卻，體積恢復(fù)正常，其中導電粒子又重新構(gòu)成導電通路，PTC自恢復(fù)保 險絲又呈初始的低阻狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)自恢復(fù)保險管的發(fā)熱很小，在異常工作狀態(tài)它的發(fā)熱很高阻值就很大，也就限制了通過它的電流，從而起到了保護作用。 在具體的電路中，可以選擇：

①分路保護。一般LED燈是分成很多串接支路。我們可以在每個支路的前面加一支PTC組件分別進行保護。這種方式的好處是精確性高，保護的可靠性好。

②總體保護。在所有光珠的前面加接一支PTC組件，對整燈進行保護。這種方式的好處是簡單，不占體積。對于民用產(chǎn)品來說，這種保護在實際使用中的結(jié)果還是令人滿意的。
LED在光電鼠標中的應(yīng)用

    一般我們常見的光電鼠標通常是指使用光電組件，根據(jù)對移動表面圖像的邏輯判斷來生成移動數(shù)據(jù)的鼠標。

    光電鼠標的工作原理是：在光電鼠標內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面（這就是為什么鼠標底部總會發(fā)光的原因）。然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過一組光學透鏡，傳輸?shù)揭粋€光傳感器件（微成像器）內(nèi)成像。 

    這樣，當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。

    光電鼠標通常由以下部分組成：光學傳感器、光學透鏡、發(fā)光二極管、接口微處理器、輕觸式按鍵、滾輪、聯(lián)機、PS/2或USB接口、外殼等。下而我們重點來了解下發(fā)光二極管（LED）在光電鼠標中的應(yīng)用情況。

    我們知道，光電鼠標在使用過程當中底部會發(fā)出淡紅色光芒。這是鼠標中的發(fā)光二極管發(fā)出的，它在鼠標中起什么作用呢？發(fā)光二極管發(fā)出的高亮（這主要是為了可以獲得足夠的光照度）光線，一部分通過鼠標底部的光學透鏡(即其中的棱鏡)來照亮鼠標底部；另一部分則直接傳到了光學傳感器的正面。通俗一點來講，就是發(fā)光二極管的作用就是發(fā)出光芒產(chǎn)生鼠標工作中所需要的光源。

但是為什么常見的光電鼠標使用的LED是紅色的呢？
    為什么會選擇紅色呢？其實原因比較簡單，因為紅色光源的LED技術(shù)比較成熟，而且成本上算來也是比較便宜的。這就使得紅色高亮LED的使用壽命最長。而光 電引擎的成像是單色的，無論什么顏色的光源都不會產(chǎn)生影響。所以在這種情況下，除了少數(shù)廠商為了制造賣點以外，大多數(shù)廠商當然會選擇紅色的產(chǎn)品，使如許多 光電鼠標也采用藍色LED，顯得與眾不同，但本質(zhì)上是一樣的。

    另外，結(jié)合直插式LED和SMD LED還可以用來裝飾鼠標，使其發(fā)出七色炫彩光芒，更吸引人的眼球。更符合時尚一族的審美需求。全球每年光電鼠標的生產(chǎn)量數(shù)以億計，以每個鼠標消耗1顆~7顆LED計算，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益有效地支撐了部份LED產(chǎn)業(yè)的出貨量。

    展望未來，即使雷射鼠標大有普及之勢，但仍離不開LED的輔助發(fā)光。盡管如此，以目前的光電鼠標普及狀況來看，LED在鼠標中的應(yīng)用仍然占據(jù)絕對主導地位，不可撼動。
LED與LCD的主要區(qū)別  

LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。

LED與LCD有著根本的區(qū)別，首先是發(fā)光光源的不同，其次是顯示效果的區(qū)別，LCD可顯示精致畫面，LED確不能。LED理論上可做成很大的任意尺寸的顯示屏，LCD目前的技太還只能做到100英寸左右。

LED照明前景
    美國能源部（DOE）對LED做出了如此的評價：沒有其它照明技術(shù)可以具有像LED這樣大的節(jié)能潛力和提升我們建筑環(huán)境品質(zhì)。針對LED封裝而言，2010年增長率超過了50%，超過了80億美金，到2014年，LED市場的復(fù)合年增長率將超過30%，金額超過200 億美金。據(jù)DisplaySearch的最新報告顯示，由于 LED芯片功率提升和成本縮減，每臺液晶電視背光所使用LED器件將相應(yīng)減少，預(yù)計到2014年 LED照明應(yīng)用將取代液晶電視背光應(yīng)用成為LED應(yīng)用主流。