發光二極管工作原理/發光的奧秘

發光二極管工作原理/發光的奧秘

發光二極管它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。

發光二極管內部是具有發光特性的PN結。當PN結導通時，依靠少數載流子的注入以及隨后的復合而輻射發光。普通發光二極管的外形、符號及伏安特性如圖1 所示。LED正向伏安特性曲線比較陡，在正向導通之前幾乎有電流。當電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導體器件，其發光亮度L（單位cd/m2，讀作坎德拉每平方米）與正向電流IF近似成正雙，有公式
　　L =K IFm
　　式中，K為比例系數，在小電流范圍內（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。當IF>10mA時，m=1，式（5.10.1）簡化成
　　L =K IF
　　即亮度與正向電流成正比。以磷砷化鎵黃色LED為例，相對發光強度與正向電流的關系如圖2所示。LED的正向電壓則與正向電流以及管芯的半導體材料有關。使用時應根據所要求的顯示亮度來選取合適的IF值（一般選10mA左右，對于高亮度LED可選1～2mA），既保證亮度適中，也不會損壞LED。若電流過大，會燒毀LED的PN結。此外，LED的使用壽命將縮短。
　　由于發光二極管的功耗低、體積小，色彩鮮艷、響應速度快、壽命長，所以常用作收錄機、收音機和電子儀器的電平指示器、調諧指示器、電源指示器等。發光二極管在正向導通時有一定穩壓作用，還可作直流穩壓器中的穩壓二極管，提供基準電壓，兼作電源指示燈。目前市場上還有一種帶反射腔及固定裝置的發光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在儀器面板上。
　　LED的輸出光譜決定其發光顏色及光輻射純度，也反映出半導體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAsP）、磷砷化鎵（GaAlAs）、砷鋁化鎵（GaN）氮化鎵可發藍光。
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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——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，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照明設備中。然而過去十年間，半導體設備的價格已經大幅下降，這使得LED照明在各種應用場合都成為一種性價比更高的選擇。 盡管它們起初也許會比白熾燈更貴些，但更加低廉的長期成本還是會讓它們成為一筆劃算的買賣。并且，它們還會在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。