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(gè)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(huì)特別熱。它單單是由半導(dǎo)體材料里的電子移動(dòng)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(dòng)。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(gè)電子空穴跳向另一個(gè)電子空穴，從從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動(dòng)。
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(gè)方向流動(dòng)。當(dāng)沒有電壓通過二極管時(shí)，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(gè)損耗區(qū)。在損耗區(qū)中，半導(dǎo)體物質(zhì)會(huì)回復(fù)到它原來的絕緣狀態(tài)--所有的這些“電子空穴”都會(huì)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(dòng)。
為了除掉損耗區(qū)就必須使N型向P型移動(dòng)和空穴應(yīng)反向移動(dòng)。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(shí)在N型物質(zhì)的自由電子會(huì)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(shí)候，在損耗區(qū)的電子將會(huì)在它的電子空穴中和再次開始自由移動(dòng)。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(dòng)，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時(shí)電流將不會(huì)流動(dòng)。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?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e(cuò)誤的方向移動(dòng)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(huì)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(dòng)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?yàn)殡娮右苿?dòng)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(dòng)。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(dòng)遠(yuǎn)離了核子。當(dāng)電子從一個(gè)更低的軌道跳到一個(gè)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(shí)電子就會(huì)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(diǎn)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(gè)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(huì)發(fā)生的，當(dāng)二極管是由某種物質(zhì)組成的時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，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(gè)塑性燈泡覆蓋集中燈光在一個(gè)特定方向。
發(fā)光二極管比傳統(tǒng)的白熾燈有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)是發(fā)光二極管沒有燈絲會(huì)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(fèi)能源。除非你把燈當(dāng)做發(fā)熱器用，因?yàn)榻^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(duì)來說，越多電能直接發(fā)光就是越大程度上減少對(duì)電能的需求。
直到現(xiàn)在，因?yàn)槭怯孟冗M(jìn)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(jià)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(gè)更劃算照明選擇，在不遠(yuǎn)的將來，發(fā)光二極管將會(huì)在世界技術(shù)上扮演更加大的角色。
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