發(fā)光二極管LED工作原理

1、發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管通常稱為LED，它們雖然名不見經(jīng)傳，卻是電子世界中真正的英雄。它們能完成數(shù)十種不同的工作，并且在各種設(shè)備中都能找到它們的身影。 它們用途廣泛，例如它們可以組成電子鐘表表盤上的數(shù)字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤照明并在設(shè)備開啟時向您發(fā)出提示。 如果將它們集結(jié)在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點亮交通信號燈。 本質(zhì)上，LED只是一種易于裝配到電子電路中的微型燈泡。但它們并不像普通的白熾燈，它們并不含有可燒盡的燈絲，也不會變得特別燙。它們能夠發(fā)光，僅僅是半導體材料內(nèi)的電子運動的結(jié)果，并且它們的壽命同普通的晶體管一樣長。 在本文中，我們會分析這些無所不在的閃光元

2、件背后的簡單原理，與此同時也會闡明一些饒有趣味的電學及光學原理。 二極管是最簡單的一種半導體設(shè)備。廣義的半導體是指那些具有可變導電能力的材料。大多數(shù)半導體是由不良導體摻入雜質(zhì)（另一種材料的原子）而形成的，而摻入雜質(zhì)的過程稱為摻雜。 就LED而言，典型的導體材料為砷化鋁鎵 (AlGaAs)。 在純凈的砷化鋁鎵中，每個原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好，沒有多余的自由電子（帶負電荷的粒子）來傳導電流。而材料經(jīng)摻雜后，摻入的原子打破了原有平衡，材料內(nèi)或是產(chǎn)生了自由電子，或是產(chǎn)生了可供電子移動的空穴。無論是自由電子數(shù)目的增多還是空穴數(shù)目的增多，都會增強材料的導電性。 具有多余電子的半導體稱為N型材料，

3、因其含有多余的帶負電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。 擁有多余空穴的半導體稱為P型材料，因為它在導電效果上相當于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移，從帶負電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。因此，空穴本身就像是從帶正電荷的區(qū)域移往帶負電荷的區(qū)域。 一個二極管由一段P型材料同一段N型材料相連而成，且兩端連有電極。這種結(jié)構(gòu)只能沿一個方向傳導電流。當二極管兩端不加電壓時，N型材料中的電子會沿著層間的PN結(jié)(junction)運動，去填充P型材料中的空穴，并形成一個耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導體材料回到它原來的絕緣態(tài)即所有的空穴都被填充，因而耗盡區(qū)內(nèi)既沒有自由電子，

4、也沒有供電子移動的空間，電荷則不能流動。 在PN結(jié)(junction)內(nèi)，N型材料中的自由電子填充了P型材料中的空穴。這樣，在二極管的中間就產(chǎn)生了一個絕緣層，稱為耗盡區(qū)。為了使耗盡區(qū)消失，必須使電子從N型區(qū)域移往P型區(qū)域，同時空穴沿相反的方向移動。為此，您可以將二極管N型的一端與電路的負極相連，同時P型的那一端與正極相連。N 型材料中的自由電子被負極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會沿反方向移動。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會被推出空穴，從而再次獲得自由移動的能力。此時耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。 當電路的負極與N型層、正極與P型層相連時，電子和空穴開始遷移，而耗盡區(qū)將

5、消失。如果您試圖讓電流沿反方向流動，將P型端連接到電路負極、N型端連接到正極的話，電流將不會流動。N型材料中帶負電的電子會被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會被吸引到負極上。由于空穴與電子各自沿著錯誤的方向運動，PN結(jié)將不會有電流通過，耗盡區(qū)也會擴大。（有關(guān)整個過程的更多信息，請參閱半導體工作原理。） 當電路的正極連接到N型層、負極連接到P型層時，自由電子會聚集在二極管的一端，同時空穴會聚集在另一端。耗盡區(qū)會擴大。在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產(chǎn)生一個有趣的副作用發(fā)光！在下一節(jié)，我們將探討其來龍去脈。光是一種能量形式，可由原子釋出。光由一些具有能量和動量但無質(zhì)量的類粒子束組成。

6、這些粒子稱為光子，是光的最基本單位。 電子的躍遷會釋放出光子。在原子結(jié)構(gòu)中，電子在原子核周圍的軌道中運動。電子在不同的軌道中具有不同的能量值。通常，能量更高的電子在離原子核更遠的軌道中運動。 為了讓電子能夠從低能軌道躍遷至高能軌道，就必須提高它的能級。反過來，電子從高能軌道跌落至低能軌道時則會釋出能量。這種能量就以光子的形式得到釋放。能量差約大，釋出的光子能量就越大，繼而表現(xiàn)為更高的頻率。（有關(guān)詳細說明，請查看光的原理。） 我們在上一節(jié)已經(jīng)了解到，自由電子通過二極管時會陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導帶到低軌道的跌落，因而電子會以光子的形式釋放出能量。這種情況在所有的二極管中都會發(fā)生

7、，但只有當二極管由某些特定材料制成時，您才能看到光子。舉例來說，普通硅二極管中的原子會以一種特定方式排列，在這種排列下，電子跌落的距離相對而言比較短，這導致產(chǎn)生的光子頻率過低（它們在光譜中處于紅外線區(qū)域），不能為人眼所見。當然，這也不一定就是壞事：紅外線LED有很多用途，例如它是制造遙控器的理想元件。 續(xù)可見光發(fā)光二極管(VLED)，例如用來點亮電子鐘表中的數(shù)字的發(fā)光二極管，其構(gòu)成材料就以傳導帶與低軌道之間的間隙較大為特征。間隙的大小決定光子的頻率從而決定了光的顏色。 盡管所有的二極管都能發(fā)光，但大多數(shù)發(fā)光效果并不好。在普通二極管內(nèi)，大量的光能最終會被半導體材料自身吸收。LED因其獨特的構(gòu)造，

8、可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡里面。如下圖所示，二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側(cè)壁反射回來，然后繼續(xù)傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。 與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED有幾點優(yōu)勢。首先，它們不含可燒盡的燈絲，因而壽命更長；另外，小型塑料燈泡使得它們更加耐用。還有，它們也易于裝配到現(xiàn)代電路中去。 而LED最主要的優(yōu)勢在于其高效性。傳統(tǒng)的白熾燈泡在發(fā)光過程中會散發(fā)出大量熱量（因為燈絲需要加熱）。這些熱能將是徹頭徹尾的浪費，除非您把燈當作加熱器使用，因為絕大部分的電能都沒有產(chǎn)生可見光。相對來說，LED產(chǎn)生的熱量甚微，電能中直接用來發(fā)光的百分比要高很多，這樣可以大大降低用電需求。 LED由先進的半導體材料制成，因而相對昂貴，時至今日仍不能應用于大多數(shù)