發(fā)光二極管的工作原理---幻彩燈帶

　　發(fā)光二極管一般稱為LED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，都離不開它們的貢獻。

　　從本質(zhì)上來說，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。但是它們不會像普通的白熾燈那樣里面含有可燒盡的燈絲，也不會隨著時間的流逝變得特別燙手。它們之所以能發(fā)光，其實是因為半導(dǎo)體材料內(nèi)電子運動的結(jié)果，并且它們的壽命和普通的晶體管一樣長。接下來呢，我們會在本文中分析這些有利于我們且無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，而這個過程我們稱之為摻雜。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，每個原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好沒有多余的帶負電荷的粒子來傳導(dǎo)電流。材料經(jīng)過摻雜后，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)生了可供電子移動的空穴。無論是自由電子數(shù)量的增加還是空穴數(shù)量的增加，都會增強材料的導(dǎo)電性。

　　具有多余電子的半導(dǎo)體稱為N型材料，其中含有多余帶負電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負電荷的區(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)只能沿一個方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不增加電壓時，N型材料中的電子會沿著層間的PN結(jié)運動，去填充P型材料中的空穴，并形成一個耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體材料回到他原來的絕緣態(tài)(即所有的空穴都被填充)，因而耗盡區(qū)內(nèi)既沒有自由電子，也沒有供電子移動的空間，電荷則不能流動。

　　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，同時空穴沿相反的方向移動。因此，我們可以將二極管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。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)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(qū)消失，電荷可以通過二極管。

　　如果我們讓電流沿反方向流動，將P型端連接到電路負極而N型端連接到正極的話，電流將不會移動。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(jié)將不會有電流通過，耗盡區(qū)也會擴大。

　　在電子同空穴之間的相互作用會產(chǎn)生一個有趣的副作用，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量但是沒有質(zhì)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(jié)構(gòu)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。反過來，電子從高能軌道跌落至低能軌道時則會釋出能量。這種能量就會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)，大量的光能最終會被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED因其獨特的構(gòu)造，可以向外釋放大量的光子。如果它們被安置在一個可以將光線匯聚到某個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，然后繼續(xù)傳播，直到它們穿過燈泡的圓形頂端。

　　與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED發(fā)光二極管有幾點優(yōu)勢。首先，它們沒有含可燒盡的燈絲，因此壽命更長。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LED燈珠最主要的優(yōu)勢是在于其高效性，傳統(tǒng)的白熾燈在發(fā)光的時候會散發(fā)大量熱量。這些熱能將完全浪費掉，除非我們把燈當(dāng)作加熱器使用，因為大部分的電能都沒有產(chǎn)生可見光。而LED產(chǎn)生的熱量甚微，電能中直接用來發(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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