发光二极管的工作原理以及优缺点解析

2014年的诺贝尔物理学奖授予了三位日本裔物理学家。获奖的三位日本裔物理学家对白光发光二极管的发明做出了重大贡献，使得白光发光二极管作为新型照明光源开始普及。

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。

什么是二极管?

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。

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。

发光二极管为什么会发光？

当pn结两端做好电极引出管脚并封装好后，就形成了一个二极管。二极管的特性基本就是pn结的特性，有的用作整流，有的用来检波，有的可以发光；这些只不过是参数的调节或者材料的改变，其基本原理是相同的。

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。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。

当二极管的两端加上正向偏压，大部分电压就加到空间电荷区上。这时内建电场电压降低，打破了载流子的扩散漂移平衡：p区空穴向n区扩散、n区电子向p区扩散，等效于外加电场给n区注入空穴、给p区注入电子。

注入n区的空穴很快与电子复合辐射光子，注入p区的电子也很快与空穴复合辐射光子， pn结就在电场的作用下就不断的发光。在外加正向电压很小时，注入载流子的量极小，肉眼看不到发出的光；

只有当外加电压接近或超过内建电场电压时才会大量地注入载流子，这样就可以看见二极管发出明亮的光。

对于发光二极管，需要注入的电子和空穴尽快地复合，复合电流占总电流的比例越大发光效率越高，让电能更多地转化为光能而不是热能；而普通二极管一般需要注入的电子和空穴尽量少地复合。

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，在普通二极管里，半导体材料本身吸引大量的光能而结束。