發(fā)光二極管工作原理
發(fā)光二極管通常稱為LED，它們雖然名不見經(jīng)傳，卻是電子世界中真正的英雄。它們能完成數(shù)十種不同的工作，并且在各種設(shè)備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表表盤上的數(shù)字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤照明并在設(shè)備開啟時(shí)向您發(fā)出提示。 如果將它們集結(jié)在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點(diǎn)亮交通信號燈。
本質(zhì)上，LED只是一種易于裝配到電子電路中的微型燈泡。但它們并不像普通的白熾燈，它們并不含有可燒盡的燈絲，也不會變得特別燙。它們能夠發(fā)光，僅僅是半導(dǎo)體材料內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，并且它們的壽命同普通的晶體管一樣長。
在本文中，我們會分析這些無所不在的閃光元件背后的簡單原理，與此同時(shí)也會闡明一些饒有趣味的電學(xué)及光學(xué)原理。
二極管是最簡單的一種半導(dǎo)體設(shè)備。廣義的半導(dǎo)體是指那些具有可變導(dǎo)電能力的材料。大多數(shù)半導(dǎo)體是由不良導(dǎo)體摻入雜質(zhì)（另一種材料的原子）而形成的，而摻入雜質(zhì)的過程稱為摻雜。
就LED而言，典型的導(dǎo)體材料為砷化鋁鎵 (AlGaAs)。 在純凈的砷化鋁鎵中，每個(gè)原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好，沒有多余的自由電子（帶負(fù)電荷的粒子）來傳導(dǎo)電流。而材料經(jīng)摻雜后，摻入的原子打破了原有平衡，材料內(nèi)或是產(chǎn)生了自由電子，或是產(chǎn)生了可供電子移動(dòng)的空穴。無論是自由電子數(shù)目的增多還是空穴數(shù)目的增多，都會增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性。
具有多余電子的半導(dǎo)體稱為N型材料，因其含有多余的帶負(fù)電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負(fù)電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。
擁有多余空穴的半導(dǎo)體稱為P型材料，因?yàn)樗趯?dǎo)電效果上相當(dāng)于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移，從帶負(fù)電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。因此，空穴本身就像是從帶正電荷的區(qū)域移往帶負(fù)電荷的區(qū)域。
一個(gè)二極管由一段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(jié)構(gòu)只能沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不加電壓時(shí)，N型材料中的電子會沿著層間的PN結(jié)(junction)運(yùn)動(dòng)，去填充P型材料中的空穴，并形成一個(gè)耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體材料回到它原來的絕緣態(tài)——即所有的空穴都被填充，因而耗盡區(qū)內(nèi)既沒有自由電子，也沒有供電子移動(dòng)的空間，電荷則不能流動(dòng)。
在PN結(jié)(junction)內(nèi)，N型材料中的自由電子填充了P型材料中的空穴。這樣，在二極管的中間就產(chǎn)生了一個(gè)絕緣層，稱為耗盡區(qū)。
為了使耗盡區(qū)消失，必須使電子從N型區(qū)域移往P型區(qū)域，同時(shí)空穴沿相反的方向移動(dòng)。為此，您可以將二極管N型的一端與電路的負(fù)極相連，同時(shí)P型的那一端與正極相連。N 型材料中的自由電子被負(fù)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(dòng)。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會被推出空穴，從而再次獲得自由移動(dòng)的能力。此時(shí)耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。
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當(dāng)電路的負(fù)極與N型層、正極與P型層相連時(shí)，電子和空穴開始遷移，而耗盡區(qū)將消失。
如果您試圖讓電流沿反方向流動(dòng)，將P型端連接到電路負(fù)極、N型端連接到正極的話，電流將不會流動(dòng)。N型材料中帶負(fù)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(fù)極上。由于空穴與電子各自沿著錯(cuò)誤的方向運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)將不會有電流通過，耗盡區(qū)也會擴(kuò)大。（有關(guān)整個(gè)過程的更多信息，請參閱半導(dǎo)體工作原理。）
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當(dāng)電路的正極連接到N型層、負(fù)極連接到P型層時(shí)，自由電子會聚集在二極管的一端，同時(shí)空穴會聚集在另一端。耗盡區(qū)會擴(kuò)大。
在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產(chǎn)生一個(gè)有趣的副作用——發(fā)光！在下一節(jié)，我們將探討其來龍去脈。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-23
