發(fā)光二極管工作原理

word格式-可編輯-感謝下載支持發(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(shí)向您發(fā)出提示。如果將它們集結(jié)在一起，可以組成召大電視屏幕上的圖像，或是用于點(diǎn)高交通信號燈。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(huì)變得特別燙。它們能夠發(fā)光，僅僅是半導(dǎo)體材料內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)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(huì)分析這些無所不在的閃光元件背后的簡單原理，與此同時(shí)也會(huì)闡明一些饒有趣味的電學(xué)及光學(xué)原理。二極管是最簡單的一種半導(dǎo)體設(shè)備。廣義的半導(dǎo)體是指那些具有可變導(dǎo)電能力的材料。大多數(shù)半導(dǎo)體是由不良導(dǎo)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(dǎo)體材料為砷化鋁鎵（AlGaAs）。在純凈的砷化鋁鎵中，每個(gè)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(fù)電荷的粒子）來傳導(dǎo)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(dòng)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(huì)增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性。具有多余電子的半導(dǎo)體稱為N型材料，因其含有多余的帶負(fù)電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負(fù)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(dǎo)體稱為P型材料，因?yàn)樗趯?dǎo)電效果上相當(dāng)于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移，從帶負(fù)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(fù)電荷的區(qū)域。一個(gè)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(gè)方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不加電壓時(shí)，N型材料中的電子會(huì)沿著層間的PN結(jié)（junction）運(yùn)動(dòng)，去填充P型材料中的空穴，并形成一個(gè)耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體材料回到它原來的絕緣態(tài)一一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，也沒有供電子移動(dòng)的空間，電荷則不能流動(dòng)。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(gè)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(shí)空穴沿相反的方向移動(dòng)。為此，您可以將二極管N型的一端與電路的負(fù)極相連，同時(shí)P型的那一端與正極相連。N型材料中的自由電子被負(fù)極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會(huì)沿反方向移動(dòng)。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會(huì)被推出空穴，從而再次獲得自由移動(dòng)的能力。此時(shí)耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。當(dāng)電路的負(fù)極與N型層、正極與P型層相連時(shí)，電子和空穴開始遷移，而耗盡區(qū)將消失。如果您試圖讓電流沿反方向流動(dòng)，將P型端連接到電路負(fù)極、N型端連接到正極的話，電流將不會(huì)流動(dòng)。N型材料中帶負(fù)電的電子會(huì)被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會(huì)被吸引到負(fù)極上。由于空穴與電子各自沿著錯(cuò)誤的方向運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)將不會(huì)有電流通過，耗盡區(qū)也會(huì)擴(kuò)大。(有關(guān)整個(gè)過程的更多信息，請參閱半導(dǎo)體工作原理。)

當(dāng)電路的正極連接到N型層、負(fù)極連接到P型層時(shí)，自由電子會(huì)聚集在二極管的一端，同時(shí)空穴會(huì)聚集在另一端。耗盡區(qū)會(huì)擴(kuò)大。在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有趣的副作用一一發(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(dòng)量但無質(zhì)量的類粒子束組成。這些粒子稱為光子，是光的最基本單位。電子的躍遷會(huì)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(yùn)動(dòng)。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(yuǎn)的軌道中運(yùn)動(dòng)。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(shí)則會(huì)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(xì)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(shí)會(huì)陷入？型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會(huì)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(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)二極管由某些特定材料制成時(shí)，您才能看到光子。舉例來說，普通硅二極管中的原子會(huì)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(dǎo)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(dāng)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?？梢姽獍l(fā)光二極管（VLED），例如用來點(diǎn)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(dǎo)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一一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(huì)被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED因其獨(dú)特的構(gòu)造，可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個(gè)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(diǎn)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(huì)散發(fā)出大量熱量（因?yàn)闊艚z需要加熱）。這些熱能將是徹頭徹尾的浪費(fèi)，除非您把燈當(dāng)作加熱器使用，因?yàn)榻^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(jìn)的半導(dǎo)體材料制成，因而相對昂貴，時(shí)至今日仍不能應(yīng)用于大多數(shù)照明設(shè)備中。然而過去十年間，半導(dǎo)體設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，這使得LED照明在各種應(yīng)用場合都成為一種性價(jià)比更高的選擇。盡管它們起初也許會(huì)比白熾燈更貴些，但更加低廉的長期成本還是會(huì)讓它們成為一筆劃算的買賣。并且，它們還會(huì)在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。Photo-Diode光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。那么，它是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢？大家知道，普通二極管在反向電壓作用在處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。檢測方法①電阻測量法用萬用表1k擋。光電二極管正向電阻約10kQ左右。在無光照情況下，反向電阻為8時(shí)，這管子是好的（反向電阻不是8時(shí)說明漏電流大）；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)到幾kQ或1kQ以下，則管子是好的；若反向電阻都是8或?yàn)榱?，則管子是壞的。②電壓測量法用萬用表1V檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“一”極，在光照下，其電壓與光照強(qiáng)度成比例，一般可達(dá)0.2—0.4V。[1③短路電流測量法用萬用表50RA檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“一”極，在白熾燈下（不能用日光燈），隨著光照增強(qiáng)，其電流增加是好的，短路電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百RA。在實(shí)際工作中，有時(shí)需要區(qū)別是紅外發(fā)光二極管，還是紅外光電二極管（或者是光電三極管）。其方法是：若管子都是透明樹脂封裝，則可以從