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發(fā)光二極管工作原理-二極管是什么

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年08月21日  

發(fā)光二極管工作原理-二極管是什么


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)的電子運動的結(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電荷的粒子。在N型材料中,自由電子能夠從帶負電荷的區(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,因為它在導(dǎo)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(zhuǎn)移,從帶負電荷的區(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)域移往帶負電荷的區(qū)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(jié)構(gòu)只能沿一個方向傳導(dǎo)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(jié)(juncTIon)運動,去填充p型材料中的空穴,并形成一個耗盡區(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,也沒有供電子移動的空間,電荷則不能流動。




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(qū)內(nèi)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(qū)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(qū)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(jié)將不會有電流通過,耗盡區(qū)也會擴大。(有關(guān)整個過程的更多信息,請參閱半導(dǎo)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(qū)會擴大。


在這種情形下,電子同空穴之間的相互作用會產(chǎn)生一個有趣的副作用——發(fā)光!在下一節(jié),我們將探討其來龍去脈。



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