发光二极管(led)如何工作

二极管是最简单的一种半导体设备。一般而言，乐动体育网站5.0半导体是一种导电能力不同的材料。大多数半导体是由添加了杂质(另一种材料的原子)的不良导体制成的。添加杂质的过程叫做兴奋剂．

在led的情况下，导体材料通常是铝-砷化镓(AlGaAs)。在纯铝-砷化镓中，所有的原子都与它们的邻居完美地结合在一起，没有留乐动体育网站5.0下自由电子(带负电的粒子)来传导电流。在掺杂材料中，额外的原子改变了平衡乐动体育网站5.0，要么增加自由电子，要么创造电子可以去的空穴。这两种改变都使材料更具导电性。

有多余电子的半导体被称为半导体n型材料，因为它有额外的负电荷粒子。在n型材料中，自由电子从带负电荷的区域移动到带正电荷的区域。

有额外孔洞的半导体被称为半导体p型材料，因为它实际上有额外的正电荷粒子。电子可以从一个空穴跳到另一个空穴，从带负电的区域移动到带正电的区域。结果，这些洞本身似乎从一个带正电的区域移动到一个带负电的区域。

二极管由一段n型材料与一段p型材料结合而成，两端各有电极。这种结构只在一个方向上导电。当没有电压施加到二极管上时，来自n型材料的电子沿着层之间的结填满来自p型材料的空穴，形成耗尽区。在一个耗尽区，半导体材料就会恢复到原来的绝缘状态——所有的空穴都被填满了，所以没有自由电子或电子的空白空间，电流就无法流动。乐动体育网站5.0

为了摆脱损耗区，你必须让电子从n型区域移动到p型区域，而空穴朝相反的方向移动。为此，将二极管的n型端连接到电路的负极，将p型端连接到电路的正极。n型材料中的自由电子被负极排斥，并被吸引到正极。p型材料中的孔向相反方向移动。当电极之间的电压差足够大时，损耗区的电子就会从空穴中被激发出来，重新开始自由移动。耗尽区消失，电荷穿过二极管移动。乐动体育网站5.0

如果你试图以另一种方式运行电流，将p型侧连接到电路的负端，n型侧连接到正端，电流将不会流动。n型材料中的负电子被吸引到正极上。p型材料中的正孔被吸引到负极上。没有电流流过结，因为空穴和电子都朝着错误的方向移动。损耗区增加。(见半导体的工作原理以了解更多有关整个过程的资料。)

在这个装置中，电子和空穴之间的相互作用有一个有趣的副作用——它会发光!

光是一种可以由原子释放的能量。它由许多类似粒子的小包裹组成，它们有能量和动量，但没有质量。这些粒子叫做光子乐动体育网站5.0，是光的最基本单位。

光子由于电子移动而被释放出来。在原子中，电子绕原子核轨道运动。不同轨道上的电子有不同的能量。一般来说，能量大的电子在轨道上离原子核越远。

一个电子要从低能级轨道跃迁到高能级轨道，必须有某种物质提高它的能级。相反，当电子从高轨道乐动体育网站5.0掉到低轨道时，它会释放能量。这种能量以光子的形式释放出来。更大的能量下降会释放出更高能量的光子，其特征是更高的频率。

正如我们前面看到的，在二极管上移动的自由电子可以从p型层落入空穴。这涉及到从导带到较低轨道的下降，因此电子以光子的形式释放能量。这发生在任何二极管，但你只能看到光子二极管是由特定的材料。例如，标准硅二极管中的原子排列方式使电子下落的距离相对较短。乐动体育网站5.0因此，光子的频率非常低，以至于人眼无法看到——它处于光谱的红外部分。当然，这并不一定是件坏事:红外led是理想的遥控器乐动体育网站5.0，以及其他事情。

可见发光二极管(vled)，例如那些在数字时钟中照亮数字的发光二极管，是由传导带和较低轨道之间有较宽间隙的材料制成的。乐动体育网站5.0间隙的大小决定了光子的频率——换句话说，它决定了光的颜色。从遥控器到电子设备上的数字显示，led被广泛应用，但可见光led因其长寿命和小巧的尺寸而广受欢迎。根据led所使用的材料，它们可以在红外、紫外线和可见光光谱之间的所有颜色中发光。乐动体育网站5.0

虽然所有的二极管都能发光，但大多数都不是很有效。在一个普通的二极管中半导体物质本身最终会吸收大量的光能。led是专门用来向外释放大量光子的。此外，它们被安置在一个塑料灯泡中，将光线集中到特定的方向。来自二极管的大部分光从灯泡的侧面反射，穿过圆形的一端。

几十年来，100瓦的白炽灯泡点亮了走廊和卧室;60瓦的白炽灯发出了来自阅读灯和壁橱的更柔和的光线。但是白炽灯效率低，浪费了大量的能量作为热量，而且寿命比荧光灯短。乐动体育网站5.0最近,更高效紧凑型荧光灯灯泡已经成为流行的替代品。白炽灯的平均寿命约为1200小时，而节能灯可以持续1万小时[来源:EarthEasy］．不幸的是，节能灯含有有毒的汞，这使得它们具有潜在的危险，处理起来很痛苦。

进入LED灯泡。led具有节能灯的优点——更低的功耗和更长的使用寿命——没有有毒汞的缺点[来源:希尔和莫斯］．例如，一个60瓦的白炽乐动体育网站5.0灯每年耗电量超过150美元，提供约800流明的光;一个等效的紧凑型荧光灯的耗电量不到15瓦，每年的电费仅为35美元。LED灯泡甚至更好，耗电量约8.5瓦，每年成本约21美元，持续使用25,000小时或更长时间[来源:乐动体育网站5.0EarthEasy］．一整年只有8760个小时——想象一下一个LED灯泡在普通家庭里能使用多久!

这让led听起来相当不错——事实也确实如此——但白炽灯和紧凑型荧光灯仍然存在是有原因的。最大的原因是价格;尽管近年来LED灯泡的价格有所下降，但LED灯泡的成本仍高于其他选择。然而，它们更长的寿命和显著降低的耗电量有助于弥补更高的准入门槛。

除了高成本之外，led还容易受到高温的影响。如果LED电路变得太热，更多的电流将通过结本文前面提到过。当接点过热时，会导致灯泡烧坏[来源:led杂志］．尽管led不含汞(不像CFL灯泡)，但它们可能含有其他危险元素，如铅或砷[来源:希尔和莫斯］．此外，一项研究发现，使用LED灯泡会增加光污染[来源:布雷迪］．

有些人也更喜欢白炽灯的外观，他们觉得白炽灯比黄色的节能灯和蓝色的led灯更温暖。不同的照明类型可能需要一些调整，但led也有各种色调可供选择。led是可调光的(与节能灯不同)，非常适合促进植物生长，因为它们能有效地阻挡大量的光，而不产生可能损害植物生命的热量。

节能灯和白炽灯的外壳颜色受到限制，而一些LED灯泡可以改变发出数百万种颜色。这些灯泡通常比白色LED灯泡更贵，但它们可以通过编程随着一天中的时间改变颜色，让人们更好地控制他们的环境。

从点亮数字钟面的早期开始，led已经取得了长足的进步。在21世纪，液晶显示器电视占领了高清市场，代表着相对于旧的标准清晰度CRT电视的巨大进步。液晶显示器甚至比重超过100磅(45.4公斤)的高清背投电视机还要先进一大步。但是LED技术改乐动-软件变了市场。虽然液晶电视比大型背投电视机要薄得多、轻得多，但它们仍然使用冷阴极荧光灯管将白光投射到构成屏幕的像素上。这些会增加电视机的重量和厚度。led解决了这两个问题。

你见过不到一英寸厚的巨型平板电视吗?可能是一台LED电视。这里是首字母缩写有点令人困惑的地方:那些LED电视仍然是液晶电视因为屏幕本身是由液晶组成的。乐动-软件从技术上讲,他们led背光液晶电视。led取代了荧光灯管，从屏幕后面发出光，照亮像素，形成图像。由于led的小尺寸和低功耗，led背光电视比普通液晶电视要薄得多，而且更节能。它们还可以提供更宽的色域，产生更生动的图片。

市场上有几种不同类型的led背光灯，但并不是所有的led背光灯都是一样的。许多套装使用白色LED边缘照明把光照射在显示器上。这些设备唯一的真正优势是轻薄。RGB led背光组，另一方面，提供更好的颜色。一些配置甚至允许使用一种叫做乐动-软件地方变暗，显示屏不同部分的led可独立调亮或调暗，以创造更动态的画面[来源:莫里森］．这突出了led相对于节能灯的另一个巨大优势:因为led实际上可以立即开关，它们在黑暗场景中产生令人惊叹的黑色水平。由于白色荧光灯在电视使用过程中必须保持开着，因此在黑暗场景中，一些光线会渗透进来，使画面变亮。

一些最新的LED显示屏是用有机发光二极管,或oled．用于制造这些半导体的有机材料是柔性的，这使得科学家们能够制造出可弯曲的灯和显示器——一些制造商已经开始生产使用更小OLED屏幕的智能手机和其乐动体育网站5.0他设备。随着技术允许更乐动-软件好更大的显示器，你可能会在以前永远找不到屏幕的地方看到它们。oled还允许完全关闭单个像素，让观众看到真正的黑色。

最初发表于2002年1月31日