發(fā)光二極管工作原理/發(fā)光的奧秘

發(fā)光二極管它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡(jiǎn)寫為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。

發(fā)光二極管內(nèi)部是具有發(fā)光特性的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注入以及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光。普通發(fā)光二極管的外形、符號(hào)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?qū)ㄖ皫缀跤?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，其發(fā)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(shù)，在小電流范圍內(nèi)（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。當(dāng)IF>10mA時(shí)，m=1，式（5.10.1）簡(jiǎn)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(duì)發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的關(guān)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(dǎo)體材料有關(guān)。使用時(shí)應(yīng)根據(jù)所要求的顯示亮度來選取合適的IF值（一般選10mA左右，對(duì)于高亮度LED可選1～2mA），既保證亮度適中，也不會(huì)損壞LED。若電流過大，會(huì)燒毀LED的PN結(jié)。此外，LED的使用壽命將縮短。
　　由于發(fā)光二極管的功耗低、體積小，色彩鮮艷、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)，所以常用作收錄機(jī)、收音機(jī)和電子儀器的電平指示器、調(diào)諧指示器、電源指示器等。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r(shí)有一定穩(wěn)壓作用，還可作直流穩(wěn)壓器中的穩(wěn)壓二極管，提供基準(zhǔn)電壓，兼作電源指示燈。目前市場(chǎng)上還有一種帶反射腔及固定裝置的發(fā)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(fā)光顏色及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)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(fā)藍(lán)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(dòng)量但無質(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(huì)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(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(jí)。反過來，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(xiàn)為更高的頻率。（有關(guān)詳細(xì)說明，請(qǐng)查看光的原理。）

我們?cè)谏弦还?jié)已經(jīng)了解到，自由電子通過二極管時(shí)會(huì)陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會(huì)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(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)二極管由某些特定材料制成時(shí)，您才能看到光子。舉例來說，普通硅二極管中的原子會(huì)以一種特定方式排列，在這種排列下，電子跌落的距離相對(duì)而言比較短，這導(dǎo)致產(chǎn)生的光子頻率過低（它們?cè)诠庾V中處于紅外線區(qū)域），不能為人眼所見。當(dāng)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(fā)光二極管(VLED)，例如用來點(diǎn)亮電子鐘表中的數(shù)字的發(fā)光二極管，其構(gòu)成材料就以傳導(dǎo)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(fā)光，但大多數(shù)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。另外，它們被安置在一個(gè)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(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，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。

與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。首先，它們不含可燒盡的燈絲，因而壽命更長(zhǎng)；另外，小型塑料燈泡使得它們更加耐用。還有，它們也易于裝配到現(xiàn)代電路中去。

而LED最主要的優(yōu)勢(shì)在于其高效性。傳統(tǒng)的白熾燈泡在發(fā)光過程中會(huì)散發(fā)出大量熱量（因?yàn)闊艚z需要加熱）。這些熱能將是徹頭徹尾的浪費(fèi)，除非您把燈當(dāng)作加熱器使用，因?yàn)榻^大部分的電能都沒有產(chǎn)生可見光。相對(duì)來說，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，這樣可以大大降低用電需求。

LED由先進(jìn)的半導(dǎo)體材料制成，因而相對(duì)昂貴，時(shí)至今日仍不能應(yīng)用于大多數(shù)照明設(shè)備中。然而過去十年間，半導(dǎo)體設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，這使得LED照明在各種應(yīng)用場(chǎng)合都成為一種性價(jià)比更高的選擇。 盡管它們起初也許會(huì)比白熾燈更貴些，但更加低廉的長(zhǎng)期成本還是會(huì)讓它們成為一筆劃算的買賣。并且，它們還會(huì)在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。