发光二极管LED工作原理

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1、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

2、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稼（AIGaAs）。在纯净的砷化铝稼中，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

3、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 一一即所有的空穴都被

4、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

5、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

6、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

7、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。旦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 一一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

8、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。