1、發光二極管工作原理發光二極管通常稱為LED,它們雖然名不見經傳，卻是電子世界中真正的英雄。它們能完成數十種不同的工作，并且在各種設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字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤照明并在設備開啟時向您發出提示。如果將它們集結在一起，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。它們能夠發光，僅僅是半導體材料內的電子運動的結果，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件背后的

2、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。大多數半導體是由不良導體摻入雜質（另一種材料的原子）而形成的，而摻入雜質的過程稱為摻雜。就LED而言，典型的導體材料為神化鋁錢（AlGaAs）。在純凈的神化鋁錢中，每個原子與相鄰的原子聯結完好，沒有多余的自由電子（帶負電荷的粒子）來傳導電流。而材料經摻雜后，摻入的原子打破了原有平衡，材料內或是產生了自由電子，或是產生了可供電子移動的空穴。無論是自由電子數目的增多還是空穴數目的增多，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，因其含有多余的帶負電荷的粒子

3、。在N型材料中，自由電子能夠從帶負電荷的區域移往帶正電荷的區域。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移，從帶負電荷的區域移往帶正電荷的區域。因此，空穴本身就像是從帶正電荷的區域移往帶負電荷的區域。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。這種結構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(junction)運動，去填充P型材料中的空穴，并形成一個耗盡區。在耗盡區內，半導體材料回到它原來的絕緣態一一即所有的空穴都被填充，因而耗盡區內既沒有自由電子，也沒有供電子移動的空間，電荷

4、則不能流動。在PN結(junction)內，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生了一個絕緣層，稱為耗盡區。為了使耗盡區消失，必須使電子從N型區域移往P型區域，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，耗盡區內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，而耗盡區將消失。如果您試圖讓電流沿反方向流動

5、，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結將不會有電流通過，耗盡區也會擴大。(有關整個過程的更多信息，請參閱半導體工作原理。)耗冬區業r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。耗盡區會擴大。在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產生一個有趣的副作用一一發光！在下一節，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量的類粒子束組成。這些粒子稱為光子，是光

6、的最基本單位。電子的躍遷會釋放出光子。在原子結構中，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，繼而表現為更高的頻率。（有關詳細說明，請查看光的原理。）我們在上一節已經了解到，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生，但只有當二極管由某些特定材

7、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，這導致產生的光子頻率過低（它們在光譜中處于紅外線區域），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。可見光發光二極管（VLED）,例如用來點亮電子鐘表中的數字的發光二極管，其構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一一從而決定了光的顏色。盡管所有的二極管都能發光，但大多數發光效果并不好。在普通二極管內，大量的光能最終會被半導體材料自身吸收。LED因其獨特的構造，可以向外釋放大量的光子。另外，

8、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，二極管發出的大部分光線被燈泡側壁反射回來，然后繼續傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。與傳統白熾燈相比，LED有幾點優勢。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代電路中去。而LED最主要的優勢在于其高效性。傳統的白熾燈泡在發光過程中會散發出大量熱量（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生可見光。相對來說，LED產生的熱量甚微，電能中直接用來發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