【E課堂】發(fā)光二極管的工作原理圖解分析

　　發(fā)光二極管,通常稱為LED,是在電子學(xué)世界里面的真正無名英雄。它們做了許多不同工作和在各種各樣的設(shè)備都可以看見它的存在。文章為大家介紹了如何分析發(fā)光二極管的工作原理。

　　基本上,發(fā)光二極管只是一個微小的電燈泡。但不像常見的白熾燈泡，發(fā)光二極管沒有燈絲，而且又不會特別熱。它單單是由半導(dǎo)體材料里的電子移動而使它發(fā)光。

　　什么是二極管?

　　二極管是半導(dǎo)體設(shè)備中的一種最常見的器件,大多數(shù)半導(dǎo)體最是由攙雜半導(dǎo)體材料制成(原子和其它物質(zhì))發(fā)光二極管導(dǎo)體材料通常都是鋁砷化稼,在純鋁砷化稼中,所有的原子都完美的與它們的鄰居結(jié)合,沒有留下自由電子連接電流。在攙雜物質(zhì)中，額外的原子改變電平衡，不是增加自由電子就是創(chuàng)造電子可以通過的空穴。這兩樣額外的條件都使得材料更具傳導(dǎo)性。帶額外電子的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體，由于它帶有額外負(fù)電粒子，所以在N型半導(dǎo)體材料中，自由電子是從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動。帶額外“電子空穴”的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體，由于帶有正電粒子。電子可以從另一個電子空穴跳向另一個電子空穴，從從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動。

　　因此，電子空穴本身就顯示出是從正電區(qū)域流向負(fù)電區(qū)域。二極管是由N型半導(dǎo)體物質(zhì)與P型半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)合，每端都帶電子。這樣排列使電流只能從一個方向流動。當(dāng)沒有電壓通過二極管時，電子就沿著過渡層之間的匯合處從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，從而形成一個損耗區(qū)。在損耗區(qū)中，半導(dǎo)體物質(zhì)會回復(fù)到它原來的絕緣狀態(tài)--所有的這些“電子空穴”都會被填滿，所有就沒有自由電子或電子真空區(qū)和電流不能流動。

　　為了除掉損耗區(qū)就必須使N型向P型移動和空穴應(yīng)反向移動。為了達(dá)到目的，連接二極管N型一方到電流的負(fù)極和P型就連接到電流的正極。這時在N型物質(zhì)的自由電子會被負(fù)極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質(zhì)中的電子空穴就移向另一方向。當(dāng)電壓在電子之間足夠高的時候，在損耗區(qū)的電子將會在它的電子空穴中和再次開始自由移動。損耗區(qū)消失，電流流通過二極管。

　　如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質(zhì)的負(fù)極電子被吸引到正極電子。P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。

　　為什么二極管會發(fā)光?

　　光是能量的一種形式，一種可以被原子釋放出來。是由許多有能量和動力但沒質(zhì)量的微小粒子似的小捆組成的。這些粒子被叫做光子，是光的最基本單位。光子是因為電子移動才釋放出來。在原子中，電子在原子的四周圍以軌道形式移動。電子在不同的軌函數(shù)有著不同等的能量。通常來說，有著更大能量的電子以軌道移動遠(yuǎn)離了核子。當(dāng)電子從一個更低的軌道跳到一個更高的軌道，能量水平就增高，反過來，當(dāng)從更高軌函數(shù)跌落到更低的軌函數(shù)里時電子就會釋放能量。能量是以光子形式釋放出來的。更高能量下降釋放更高能量的光子，它的特點在于它的高頻率。

　　自由電子從P型層通過二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導(dǎo)帶跌落到一個更低的軌函數(shù)，所以電子就是以光子形式釋放能量。這在任何二極管里都會發(fā)生的，當(dāng)二極管是由某種物質(zhì)組成的時候，你只是可以看見光子。在標(biāo)準(zhǔn)硅二極管的原子，比如說，當(dāng)電子跌落到相對短距離原子是以這樣的方式排列。結(jié)果，由于電子頻率這么低的情況下人的眼睛是無法看得到的。

　　可見光發(fā)光二極管，比如用在數(shù)字顯示式時鐘的，間隙的大小決定了光子的頻率，換句話說就是決定了光的色彩。當(dāng)所有二極管都發(fā)出光時，大多數(shù)都不是很有效的。在普通二極管里，半導(dǎo)體材料本身吸引大量的光能而結(jié)束。發(fā)光二極管是由一個塑性燈泡覆蓋集中燈光在一個特定方向。

　　發(fā)光二極管比傳統(tǒng)的白熾燈有幾個優(yōu)點。第一個是發(fā)光二極管沒有燈絲會燒壞，所以壽命就更長。此外，發(fā)光二極管的小小塑性燈泡使得發(fā)光二極管更持久耐用。還可以更加容易適合現(xiàn)在的電子電路。傳統(tǒng)白熾燈的發(fā)光過程包含了產(chǎn)生大量熱量。這是完全是浪費能源。除非你把燈當(dāng)做發(fā)熱器用，因為絕大部分有效電流并不是直接產(chǎn)生可見光的。發(fā)光二極管所發(fā)出的熱非常少，相對來說，越多電能直接發(fā)光就是越大程度上減少對電能的需求。

　　直到現(xiàn)在，因為是用先進半導(dǎo)體材料制造所以發(fā)光二極管在大多數(shù)照明應(yīng)用上還過于昂貴。半導(dǎo)體器件的價格在過去10年里大幅度地降低，然而，使得發(fā)光二極管在更廣的應(yīng)用下的一個更劃算照明選擇，在不遠(yuǎn)的將來，發(fā)光二極管將會在世界技術(shù)上扮演更加大的角色。