發(fā)光二極管一般稱為L(zhǎng)ED或LED燈珠。它們的用途十分廣泛，大街小巷都有它們的身影，例如十字路口的紅綠燈提示大家遵守交通規(guī)則，各種遙控器發(fā)射或接收信息，可以組成超大顯示屏的圖像，還有夜晚溫暖人們的各種路燈，或者是日常生活中的家用電器等等，都離不開(kāi)它們的貢獻(xiàn)。

　　從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，發(fā)光二極管是一種很容易裝配到電子電路中的微型燈泡。但是它們不會(huì)像普通的白熾燈那樣里面含有可燒盡的燈絲，也不會(huì)隨著時(shí)間的流逝變得特別燙手。它們之所以能發(fā)光，其實(shí)是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，并且它們的壽命和普通的晶體管一樣長(zhǎng)。接下來(lái)呢，我們會(huì)在本文中分析這些有利于我們且無(wú)所不在的光電元器件背后的工作原理。

　　大家都知道二極管是最簡(jiǎn)單的一種半導(dǎo)體設(shè)備，通常是指那些具有可變導(dǎo)電能力的材料?，F(xiàn)在大部分的半導(dǎo)體是由不良導(dǎo)體加入另外一種材料的原子形成的，而這個(gè)過(guò)程我們稱之為摻雜。就發(fā)光二極管而言，典型的導(dǎo)體材料砷化鋁鎵(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(méi)有多余的帶負(fù)電荷的粒子來(lái)傳導(dǎo)電流。材料經(jīng)過(guò)摻雜后，摻入的原子打破了原有的平衡，材料內(nèi)便產(chǎn)生了自由電子或者是產(chǎn)生了可供電子移動(dòng)的空穴。無(wú)論是自由電子數(shù)量的增加還是空穴數(shù)量的增加，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，其中含有多余帶負(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。然后擁有多余空穴的半導(dǎo)體我們稱為P型材料，它在導(dǎo)電效果上相當(dāng)于含有帶正電荷的粒子。

　　一個(gè)二極管由一段P型材料和一段N型材料相連而成，并且兩端連有電極，這種結(jié)構(gòu)只能沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不增加電壓時(shí)，N型材料中的電子會(huì)沿著層間的PN結(jié)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)體材料回到他原來(lái)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(méi)有自由電子，也沒(méi)有供電子移動(dòng)的空間，電荷則不能流動(dòng)。

　　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)。因此，我們可以將二極管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。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(guò)二極管。

　　如果我們讓電流沿反方向流動(dòng)，將P型端連接到電路負(fù)極而N型端連接到正極的話，電流將不會(huì)移動(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(guò)，耗盡區(qū)也會(huì)擴(kuò)大。

　　在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，那就是發(fā)光!光是一種能量形式，可以由原子釋出，它由一些具有能量和動(dòng)量但是沒(méi)有質(zhì)量的類(lèi)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?chē)能壍乐羞\(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)。

　　為了使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(jí)。反過(guò)來(lái)，電子從高能軌道跌落至低能軌道時(shí)則會(huì)釋出能量。這種能量就會(huì)以光子的形式得到釋放。能量差越大，釋出得光子能量就越大，繼而表現(xiàn)出更高的頻率。盡管所有的二極管都能發(fā)光，但是大部分的發(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。如果它們被安置在一個(gè)可以將光線匯聚到某個(gè)特定方向的塑料燈泡里面，二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側(cè)壁反射回來(lái)，然后繼續(xù)傳播，直到它們穿過(guò)燈泡的圓形頂端。

　　與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED發(fā)光二極管有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。首先，它們沒(méi)有含可燒盡的燈絲，因此壽命更長(zhǎng)。另外，小型塑料燈泡使得它們更加耐用。還有，它們更容易裝配到現(xiàn)代電路里面。其實(shí)LED燈珠最主要的優(yōu)勢(shì)是在于其高效性，傳統(tǒng)的白熾燈在發(fā)光的時(shí)候會(huì)散發(fā)大量熱量。這些熱能將完全浪費(fèi)掉，除非我們把燈當(dāng)作加熱器使用，因?yàn)榇蟛糠值碾娔芏紱](méi)有產(chǎn)生可見(jiàn)光。而LED產(chǎn)生的熱量甚微，電能中直接用來(lái)發(fā)光的百分比要高很多，這樣可以很大程度的降低用電需求。

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