彩色 LED:如何获得不同的颜色?

彩色LED

MGI 彩色LED 近年来,他们一直陪伴着我们。 每次出现新的 LED 色调时,因为在所有情况下都不容易。 例如,出于好奇,您应该知道白光 LED 和蓝光 LED 是最后上市的 LED。

目前,他们已经成为 一种二极管 对许多领域至关重要。 因此,在本文中您将了解到 所有你需要知道的 在这些上 基本电子元件,以及为什么它们会发光,为什么会出现这些颜色,等等......

半导体发光源

发光二极管

如您所知,半导体器件的两种发光源是 激光二极管和 LED 二极管. LED 基于自发辐射,而激光基于受激发射。 这就是两者的区别。

MGI 发光二极管(Light Emitting Diode) 它们是电子设备中最常见的光源。 它们用于在数字手表上显示时间、指示电池的运行或充电等。 应用很多,现在他们也跳入照明领域,使用新型 LED 灯泡来照亮所有类型的房间,甚至车辆。

这些 LED 设备属于 光半导体,能够将电流转化为光。 这种照明设备的最大优点是经久耐用,因为它不会像灯泡那样烧坏,而且效率更高,因此消耗量比传统灯泡低得多。 此外,它们的制造成本非常低,这就是它们如此受欢迎的原因。

与任何其他半导体设备一样,LED 具有基本的主要元素,例如 带空穴 (+) 的 P 区和带电子 (-) 的 N 区,即任何半导体的常用电荷载流子。 这使得:

  • 当 P 侧连接到电源,N 侧接地时,连接正向偏置,允许电流流过二极管并发光,我们都可以看到。
  • 如果 P 侧接地,N 侧连接电源,则该连接称为反向偏置,可防止电流流动。 您已经知道二极管会阻止电流沿一个方向通过。
  • 当正向偏置时,P 侧和 N 侧的多数和少数电荷载流子相互结合,中和 PN 结耗尽层中的电荷载流子。 并且,反过来,这种电子和空穴的迁移释放出一定量的光子,也就是说,部分能量以光的形式发射,具有恒定的(单色)波长。 这就是 LED 颜色的特征,因为根据它发射的波长,它可以是红外线、蓝色、黄色、绿色、黄色、琥珀色、白色、红色、紫外线等。
  • 电磁光谱的发射波长以及颜色由形成二极管 PN 结的半导体材料决定。 因此,可以改变或使用半导体化合物以在光谱或可见范围内产生新的颜色。

必须要说的是,红色、蓝色和绿色(RGB 或红绿蓝)可以很容易地组合在一起,从而能够 产生白光. 另一方面,必须要说的是,LED的工作电压也因颜色而异。 例如,红色、绿色、琥珀色和黄色需要大约 1.8 伏的电压才能工作。 而发光二极管的工作电压范围可以根据制造LED所用的半导体材料的击穿电压来确定。

LED 类型

激光二极管

LED 可以按多种方式分类,其中一种主要方式是根据它们发射的波长来分类,留下 两类:

  •  可见 LED:是发射可见光谱内波长的那些,即在 400 纳米和 750 纳米之间。 这个范围是人眼所能看到的范围,就像在声场中我们只能听到 20 Hz 到 20 Khz 之间的频率一样。 低于 20 Hz 的是我们听不到的次声波,高于 20 Khz 的是我们也无法捕捉到的超声波。 类似的情况发生在光的情况下,当它低于 400 nm 时具有红外线或 IR,当它高于 750 nm 时具有紫外线。 两者都是人眼不可见的。
  •  隐形 LED:是那些我们看不到的波长,例如 IR 二极管或 UV 二极管。

可见光 LED 主要用于照明或信号。 不可见 LED 用于光开关、光通信和分析等应用中,并使用光传感器。

效率

众所周知,LED 照明非常重要 效率更高 比传统的,所以它消耗更少的能量。 这是由 LED 的特性决定的。 在下表中,您可以看到光通量与提供给 LED 的电输入功率之间的关系。 即可以用每瓦流明数(lm/W)来表示:

颜色
经度 (nm)
典型功效 (lm/W)
典型效率 (w/w)
罗霍
620 - 645
72
0.39
绿色
520 - 550
93
0.15
蓝色
460 - 490
37
0.35
奇安
490 - 520
75
0.26
610 - 620
98
0.29

LED施工

LED的制造

资料来源:ResearchGate

La 发光二极管的结构和构造与普通二极管有很大不同,例如齐纳二极管等。 当 PN 结正向偏置时,LED 就会发光。 PN 结由固体环氧树脂和透明塑料半球圆顶覆盖,可保护 LED 内部免受大气干扰、振动和热冲击。

PN结是使用形成 材料 较低带隙的化合物,如砷化镓、磷化砷化镓、磷化镓、氮化铟镓、氮化铝镓、碳化硅等。 例如,红色 LED 建立在砷化镓衬底上,绿色、黄色和橙色 LED 建立在磷化镓衬底上,等等。 在红色中,N 型层掺杂了碲 (Te),P 层掺杂了锌 (Zn)。 另一方面,接触层在P侧使用铝并且在N侧使用锡-铝形成。

另外,你应该知道这些结点不会发出很多光,所以 环氧树脂圆顶 它的构造方式使 PN 结发出的光子最好通过它反射和聚焦。 即它不仅起到保护作用,而且起到聚光透镜的作用。 这就是为什么发出的光在 LED 顶部看起来更亮的原因。

LED 旨在确保 大多数载流子的复合发生在 PN 结的表面 出于显而易见的原因,这是通过这种方式实现的:

  • 通过增加衬底的掺杂浓度,额外的少数电荷载流子电子移动到结构的顶部,重新组合,并在 LED 表面发光。
  • 通过增加载流子的扩散长度,即 L = √ Dτ,其中 D 是扩散系数,τ 是载流子的寿命。 当它增加到超过临界值时,将有释放的光子在器件中被重新吸收的可能性。

因此,当 LED 二极管正向偏置连接时, 货运船 它们获得足够的能量来克服 PN 结处现有的势垒。 P 型和 N 型半导体中的少数电荷载流子通过结注入并与多数载流子复合。 多数和少数载流子的组合可以有两种方式:

  • 辐射的:当复合过程中发光时。
  • 无辐射:在复合过程中不发光,产生热量。 即,所施加的部分电能以热而不是光的形式损失。 根据用于产生光或热的能量的百分比,这将是 LED 的效率。

有机半导体

最近他们也闯入了市场 OLED 或有机发光二极管,已用于显示器。 这些新型有机二极管由具有有机性质的材料组成,即有机半导体,其中允许部分或全部有机分子导电。

这些有机物质可能存在于 晶相或聚合物分子. 这具有非常薄的结构、低成本的优点,它们需要非常低的电压来工作,它们具有高亮度,以及最大的对比度和强度。

LED 颜色

彩色LED

正如我之前提到的,与普通的半导体二极管不同,LED 之所以发光,是因为它们使用了化合物。 普通的半导体二极管由硅或锗制成,但发光二极管有 化合物 如:

  • 砷化镓
  • 砷化镓磷化物
  • 碳化硅
  • 氮化铟镓

混合这些材料可以产生独特且不同的波长,以达到所需的颜色。 不同的半导体化合物在可见光谱的特定区域发光,因此产生不同级别的光强度。 用于制造 LED 的半导体材料的选择将决定光子发射的波长和发射光的最终颜色。

辐射模式

辐射方向图定义为光发射相对于发射面的角度。 最大量的功率、强度或能量将在垂直于发射表面的方向上获得。 光发射角取决于发射的颜色,通常在 80° 和 110° 之间变化。 这是一张桌子 不同的颜色和材料:

颜色
经度 (nm)
压降 (V)
半导体材料
红外线
> 760
<1,9
砷化镓
砷化铝镓
罗霍
610 - 760
1.6 - 2.0
砷化铝镓
砷化镓磷化物
磷化铝镓铟
磷化镓
590 - 610
2.0 - 2.1
砷化镓磷化物
磷化铝镓铟
磷化镓
黄色
570 - 590
2.1 - 2.2
砷化镓磷化物
磷化铝镓铟
磷化镓
绿色
500 - 570
1.9 - 4.0
磷化镓铟
磷化铝镓铟
磷化铝镓
氮化铟镓
蓝色
450 - 500
2.5 - 3.7
硒化锌
氮化铟镓
碳化硅
紫色
400 - 450
2.8 - 4.0
氮化铟镓
紫色
多种类型
2.4 - 3.7
双蓝/红 LED*
蓝红磷
白底紫胶
紫外线
<400
3.1 - 4.4
钻石
硝基硼酸
氮化铝
氮化铝镓
氮化铝镓铟
粉红色
多种类型
3.3
蓝色荧光粉
黄色带红色、橙色或粉色荧光粉
白色带粉色颜料
目标
扩频
3.5
带黄色荧光粉的蓝色/紫外线二极管

LED发出的光的颜色不是由 塑料机身颜色 包围着 LED。 这一点必须说得很清楚。 正如我之前提到的,环氧树脂既用于提高光输出,又用于在 LED 关闭时指示颜色。

近年来,也开发了蓝色和白色 LED,但由于在半导体化合物中以精确比例混合两种或更多种互补色的生产成本,它们比标准彩色 LED 更昂贵。

LED多色

市场上有一个 提供多种 LED,具有不同的形状、大小、颜色、输出光强度等。 不过,不得不说的是,当属直径5mm的砷化镓磷化红光LED,其价格上无可争议的王者。 那是世界上使用最多的,所以它是制造量最大的一种。

然而,正如你所看到的,目前有许多不同的颜色,甚至有几种颜色被组合起来产生一种 LED多色 就像我们将在本节中看到的那样……

两种颜色

双色 LED,顾名思义,是一种 能够发出两种不同颜色的 LED. 这是通过在同一封装中组合两种不同颜色的 LED 来实现的。 这样,您可以从一种颜色更改为另一种颜色。 例如,您在某些设备上看到的指示电池充电状态的 LED 会在充电时变为红色,充满电后变为绿色。

为了制造这些 LED 是并联的,一个 LED 的阳极连接到另一个 LED 的阴极,反之亦然。 这样,当向任何一个阳极供电时,只有一个 LED 会点亮,即通过其阳极接收电力的那个。 如果同时为两个阳极供电,则还可以通过动态切换同时打开两个阳极。

三色

我们还有三色 LED,也就是说,它们 可以发出三种不同的颜色 而不是两个。 它们将三个 LED 与一个公共阴极组合在同一个封装中,要点亮一种或两种颜色,您需要将阴极接地。 以及您要控制或开启的颜色的阳极提供的电流。

也就是说,对于一种或两种颜色的 LED 照明,需要连接 任一阳极的电源 单独或同时。 这些三色 LED 还经常用于多种设备,例如手机,以指示通知等。 此外,这种类型的二极管通过以不同的正向电流比率打开两个 LED 来产生额外的原色阴影。

RGB LED

它基本上是一种三色 LED,在这种情况下称为 RGB(红色绿色蓝色),因为它发出那三种颜色的光。 如您所知,这些在彩色装饰条和游戏装备中非常受欢迎。 但是,即使您拥有原色,也无法生成所有颜色和阴影。 有些颜色落在 RGB 三角形之外,像粉色、棕色等颜色很难用 RGB 得到。

LED的优点和缺点

LEDs

现在是时候看看主要的是什么了 优点和缺点 这些 LED 二极管:

优点

  • 小尺寸
  • 生产成本低
  • 保质期长(不会融化)*
  • 高能效/低消耗
  • 低温/辐射热少
  • 设计灵活性
  • 它们可以产生许多不同的颜色,甚至是白光。
  • 高开关速度
  • 高光强度
  • 可以设计成将光线聚焦在一个方向上
  • 它们是固态半导体器件,因此更坚固:更能抵抗热冲击和振动
  • 不存在紫外线
*您知道 LED 灯泡可以是永恒的吗? 有时它们会损坏,必须更换,但事实是 LED 仍然完好无损,损坏的是这些灯泡内部的电容器......

缺点

  • 辐射输出功率和 LED 波长的环境温度依赖性。
  • 对过电压和/或过电流造成的损坏敏感。
  • 只有在特殊的冷或脉冲条件下才能达到理论上的整体效率。

应用

Bombilla来自

最后但同样重要的是,有必要展示什么是 可能的应用 这些彩色 LED 用于:

  • 用于车灯
  • 标牌:指示器、指示牌、交通信号灯
  • 在仪表板上显示视觉信息
  • 对于像素由 LED 组成的显示器
  • 医疗应用
  • 玩具
  • 灯光
  • 遥控器(红外 LED)
  • 等等

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