发光二极管(LED)工作原理

发光二极管工作原理

发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。

本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。

在本文中，我们会分析这些无所不在的闪光元件背后的简单原理，与此同时也会阐明一些饶有趣味的电学及光学原理。

二极管是最简单的一种半导体设备。广义的半导体是指那些具有可变导电能力的材料。大多数半导体是由不良导体掺入杂质（另一种材料的原子）而形成的，而掺入杂质的过程称为掺杂。

就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓(AlGaAs)。在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。

具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。

拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。

一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。这种结构只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结

(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。在耗尽区内，半导体材料回到它原来的绝缘态——即所有的空穴都被填充，因而耗尽区内既没有自由电子，也没有供电子移动的空间，电荷则不能流动。

在PN结(junction)内，N型材料中的自由电子填充了P型材料中的空穴。

这样，在二极管的中间就产生了一个绝缘层，称为耗尽区。

为了使耗尽区消失，必须使电子从N型区域移往P型区域，同时空穴沿相反的方向移动。为此，您可以将二极管N型的一端与电路的负极相连，同时P型的那一端与正极相连。N 型材料中的自由电子被负极排斥，又被正极吸引；而P型材料中的空穴会沿反方向移动。如果两电极之间的电压足够高，耗尽区内的电子会被推出空穴，从而再次获得自由移动的能力。此时耗尽区消失，电荷可以通过二极管。

当电路的负极与N型层、正极与P型层相连时，

电子和空穴开始迁移，而耗尽区将消失。

如果您试图让电流沿反方向流动，将P型端连接到电路负极、N型端连接到正极的话，电流将不会流动。N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上；P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动，PN结将不会有电流通过，耗尽区也会扩大。（有关整个过程的更多信息，请参阅半导体工作原理。）

当电路的正极连接到N型层、负极连接到P型层时，自由电子会

聚集在二极管的一端，同时空穴会聚集在另一端。耗尽区会扩大。

在这种情形下，电子同空穴之间的相互作用会产生一个有趣的副作用——发光！在下一节，我们将探讨其来龙去脉。

光是一种能量形式，可由原子释出。光由一些具有能量和动量但无质量的类粒子束组成。这些粒子称为光子，是光的最基本单位。

电子的跃迁会释放出光子。在原子结构中，电子在原子核周围的轨道中运动。电子在不同的轨道中具有不同的能量值。通常，能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。

为了让电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道，就必须提高它的能级。反过来，电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。这种能量就以光子的形式得到释放。能量差约大，释出的光子能量就越大，继而表现为更高的频率。（有关详细说明，请查看光的原理。）

我们在上一节已经了解到，自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。这种情况在所有的二极管中都会发生，但只有当二极管由某些特定材料制成时，您才能看到光子。举例来说，普通硅二极管中的原子会以一种特定方式排列，在这种排列下，电子跌落的距离相对而言比较短，这导致产生的光子频率过低（它们在光谱中处于红外线区域），不能为人眼所见。当然，这也不一定就是坏事：红外线LED有很多用途，例如它是制造遥控器的理想元件。

续

可见光发光二极管(VLED)，例如用来点亮电子钟表中的数字的发光二极管，其构成材料就以传导带与低轨道之间的间隙较大为特征。间隙的大小决定光子的频率——从而决定了光的颜色。

尽管所有的二极管都能发光，但大多数发光效果并不好。在普通二极管内，大量的光能最终会被半导体材料自身吸收。LED因其独特的构造，可以向外释放大量的光子。另外，它们被安置在一个可以将光线汇聚到某一特定方向的塑料灯泡里面。如下图所示，二极管发出的大部分光线被灯泡侧壁反射回来，然后继续传播，直至它们穿过灯泡的圆形顶端。

与传统白炽灯相比，LED有几点优势。首先，它们不含可烧尽的灯丝，因而寿命更长；另外，小型塑料灯泡使得它们更加耐用。还有，它们也易于装配到现代电路中去。

而LED最主要的优势在于其高效性。传统的白炽灯泡在发光过程中会散发出大量热量（因为灯丝需要加热）。这些热能将是彻头彻尾的浪费，除非您把灯当作加热器使用，因为绝大部分的电能都没有产生可见光。相对来说，LED产生的热量甚微，电能中直接用来发光的百分比要高很多，这样可以大大降低用电需求。

LED由先进的半导体材料制成，因而相对昂贵，时至今日仍不能应用于大多数照明设备中。然而过去十年间，半导体设备的价格已经大幅下降，这使得LED照明在各种应用场合都成为一种性价比更高的选择。尽管它们起初也许会比白炽灯更贵些，但更加低廉的长期成本还是会让它们成为一笔划算的买卖。并且，它们还会在未来的科技世界中扮演更加重要的角色。