發光二極管工作原理
發光二極管通常稱為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，并且在各種設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字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤照明并在設備開啟時向您發出提示。 如果將它們集結在一起，可以組成超大電視屏幕上的圖像，或是用于點亮交通信號燈。
本質上，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。它們能夠發光，僅僅是半導體材料內的電子運動的結果，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，與此同時也會闡明一些饒有趣味的電學及光學原理。
二極管是最簡單的一種半導體設備。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)。 在純凈的砷化鋁鎵中，每個原子與相鄰的原子聯結完好，沒有多余的自由電子（帶負電荷的粒子）來傳導電流。而材料經摻雜后，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。
具有多余電子的半導體稱為N型材料，因其含有多余的帶負電荷的粒子。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。
擁有多余空穴的半導體稱為P型材料，因為它在導電效果上相當于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。
一個二極管由一段P型材料同一段N型材料相連而成，且兩端連有電極。這種結構只能沿一個方向傳導電流。當二極管兩端不加電壓時，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，并形成一個耗盡區。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。
在PN結(junction)內，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生了一個絕緣層，稱為耗盡區。
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，您可以將二極管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，電荷可以通過二極管。
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當電路的負極與N型層、正極與P型層相連時，電子和空穴開始遷移，而耗盡區將消失。
如果您試圖讓電流沿反方向流動，將P型端連接到電路負極、N型端連接到正極的話，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。由于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信息，請參閱半導體工作原理。）
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當電路的正極連接到N型層、負極連接到P型層時，自由電子會聚集在二極管的一端，同時空穴會聚集在另一端。耗盡區會擴大。
在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會產生一個有趣的副作用——發光！在下一節，我們將探討其來龍去脈。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-23
