發光二極體工作原理

發光二極體通常稱為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，並且在各種裝置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錶表盤上的數字，從遙控器傳輸資訊，為手錶表盤照明並在裝置開啟時向您發出提示。

如果將它們集結在一起，可以組成超大電視螢幕上的影象，或是用於點亮交通訊號燈。

本質上，led只是一種易於裝配到電子電路中的微型燈泡。但它們並不像普通的白熾燈，它們並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，並且它們的壽命同普通的電晶體一樣長。

在本文中，我們會分析這些無所不在的閃光元件背後的簡單原理，與此同時也會闡明一些饒有趣味的電學及光學原理。

二極體是最簡單的一種半導體裝置。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，典型的導體材料為砷化鋁鎵 (algaas)。在純淨的砷化鋁鎵中，每個原子與相鄰的原子聯結完好，沒有多餘的自由電子（帶負電荷的粒子）來傳導電流。而材料經摻雜後，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。

具有多餘電子的半導體稱為n型材料，因其含有多餘的帶負電荷的粒子。在n型材料中，自由電子能夠從帶負電荷的區域移往帶正電荷的區域。

擁有多餘空穴的半導體稱為p型材料，因為它在導電效果上相當於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。

乙個二極體由一段p型材料同一段n型材料相連而成，且兩端連有電極。這種結構只能沿乙個方向傳導電流。當二極體兩端不加電壓時，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，並形成乙個耗盡區。

在耗盡區內，半導體材料回到它原來的絕緣態——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，電荷則不能流動。

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，您可以將二極體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，電荷可以通過二極體。

如果您試圖讓電流沿反方向流動，將p型端連線到電路負極、n型端連線到正極的話，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。由於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資訊，請參閱半導體工作原理。）

在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產生乙個有趣的***——發光！在下一節，我們將**其來龍去脈。

光是一種能量形式，可由原子發布。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發布能量。這種能量就以光子的形式得到釋放。

能量差約大，發布的光子能量就越大，繼而表現為更高的頻率。（有關詳細說明，請檢視光的原理。）

我們在上一節已經了解到，自由電子通過二極體時會陷入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體中都會發生，但只有當二極體由某些特定材料製成時，您才能看到光子。

舉例來說，普通矽二極體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（它們在光譜中處於紅外線區域），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，例如它是製造遙控器的理想元件。

可見光發光二極體(vled)，例如用來點亮電子鐘錶中的數字的發光二極體，其構成材料就以傳導帶與低軌道之間的間隙較大為特徵。間隙的大小決定光子的頻率——從而決定了光的顏色。

儘管所有的二極體都能發光，但大多數發光效果並不好。在普通二極體內，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，它們被安置在乙個可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡裡面。如下圖所示，二極體發出的大部分光線被燈泡側壁反射回來，然後繼續傳播，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，它們也易於裝配到現代電路中去。

而led最主要的優勢在於其高效性。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製成，因而相對昂貴，時至今日仍不能應用於大多數照明裝置中。然而過去十年間，半導體裝置的**已經大幅下降，這使得led照明在各種應用場合都成為一種價效比更高的選擇。儘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划算的買賣。

並且，它們還會在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。