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发光二极管(LED)的工作原理



发光二极管,通常称为LED,是在电子学世界里面的真正无名英雄。它们做了许多不同工作和在各种各样的设备都可以看见它的存在。

      基本上,发光二极管只是一个微小的电灯泡。但不像常见的白炽灯泡,发光二极管没有灯丝,而且又不会特别热。它单单是由半导体材料里的电子移动而使它发光。
 


 

  二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中,额外的原子改变电平衡,不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。带额外电子的半导体叫做N型半导体,由于它带有额外负电粒子,所以在N型半导体材料中,自由电子是从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体,由于带有正电粒子。电子可以从另一个电子空穴跳向另一个电子空穴,从从负电区域向正电区域流动。因此,电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N型半导体物质与P型半导体物质结合,每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时,电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体,从而形成一个损耗区。在损耗区中,半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满,所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。
 

  为了除掉损耗区就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的,连接二极管N型一方到电流的负极和P型就连接到电流的正极。这时在N型物质的自由电子会被负极电子排斥和吸引到正极电子。在P型物质中的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候,在损耗区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动。损耗区消失,电流流通过二极管。
 

  如果尝试使电流向其它方向流动,P型端就边接到电流负极和N型连接到正极,这时电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处,损耗区增加。

 

  为什么二极管会发光

 

  光是能量的一种形式,一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子,是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。在原子中,电子在原子的四周围以轨道形式移动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。通常来说,有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。当电子从一个更低的轨道跳到一个更高的轨道,能量水平就增高,反过来,当从更高轨函数跌落到更低的轨函数里时电子就会释放能量。能量是以光子形式释放出来的。更高能量下降释放更高能量的光子,它的特点在于它的高频率。
 

  自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数,所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的,当二极管是由某种物质组成的时候,你只是可以看见光子。在标准硅二极管的原子,比如说,当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果,由于电子频率这么低的情况下人的眼睛是无法看得到的。

 

  可见光发光二极管,比如用在数字显示式时钟的,间隙的大小决定了光子的频率,换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极管都发出光时,大多数都不是很有效的。在普通二极管里,半导体材料本身吸引大量的光能而结束。发光二极管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。
 

  发光二极管比传统的白炽灯有几个优点。第一个是发光二极管没有灯丝会烧坏,所以寿命就更长。此外,发光二极管的小小塑性灯泡使得发光二极管更持久耐用。还可以更加容易适合现在的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量。这是完全是浪费能源。除非你把灯当做发热器用,因为绝大部分有效电流并不是直接产生可见光的。发光二极管所发出的热非常少,相对来说,越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。

 

  直到现在,因为是用先进半导体材料制造所以发光二极管在大多数照明应用上还过于昂贵。半导体器件的价格在过去10年里大幅度地降低,然而,使得发光二极管在更广的应用下的一个更划算照明选择,在不远的将来,发光二极管将会在世界技术上扮演更加大的角色。
 

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