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發光二極管工作原理-二極管是什么

鉅大LARGE  |  點擊量:1243次  |  2019年08月21日  

發光二極管工作原理-二極管是什么


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。


photocourtesy

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。)


photocourtesy

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。



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