一文带你了解发光二极管的工作原理

LED就像一个普通的pn结二极管，但具有发光特性。它的结构和工作原理可以解释如下。

LED的工作原理

与普通二极管一样，LED发光二极管在正向偏置时工作。在这种情况下，n型半导体比形成pn结的p型重掺杂。当它被正向偏置时，势垒降低，电子和空穴在耗尽层（或有源层）结合，光或光子向各个方向发射或辐射。一个典型的图形显示了由于电子-空穴对在正向偏置上结合而产生的光发射。

LED 二极管中光子发射背后的解释在于固体的能带理论。根据该理论，电子-空穴结合是否会释放光子取决于材料是否具有直接带隙或间接带隙。那些具有直接带隙的半导体材料是发射光子的材料。在直接带隙材料中，导带能级的底部位于能量与动量（波矢量“k”）图上价带最高能级的正上方。当电子和空穴复合时，能量 E = hν 对应于能隙 △ (eV) 以光能或光子的形式逸出，其中 h 是普朗克常数，ν 是光的频率。

直接带隙
虽然间接带隙本质上是非辐射的，因为导带的底部与价带的顶部不重合，并且对应于能隙的能量主要以热的形式给出。例如 Si、Ge 等。

间接带隙
具有直接带隙的材料的示例是砷化镓 (GaAs)，它是一种化合物半导体，它是用于 LED 的材料。将掺杂剂原子添加到 GaAs 中以发出各种颜色。LED中使用的一些材料是：

• 砷化铝镓 (AlGaAs) – 红外线。
• 砷化镓 (GaAsP) – 红色、橙色、黄色。
• 磷化铝镓 (AlGaP) - 绿色。
• 氮化铟镓 (InGaN) – 蓝色、蓝绿色、近紫外。
• 硒化锌 (ZnSe) - 蓝色。

LED的物理结构

LED 的结构使得发出的光不会被材料重新吸收。因此保证了电子-空穴复合发生在表面上。

上图显示了两种不同的 LED pn 结结构方式。p型层被做得很薄并且生长在n型衬底上。连接在 pn 结两侧的金属电极用作外部电连接的节点。发光二极管 pn 结封装在一个圆顶形透明外壳中，使光线在各个方向上均匀发射，内部反射最小。

还提供超过 2 条腿的 LED，例如 3、4 和 6 引脚配置，以在同一 LED 封装中获得多种颜色。可提供可安装在 PCB 上的表面安装 LED 显示器。

LED 的额定电流为几十毫安。因此，有必要在其上串联一个高电阻。LED 的正向压降比普通二极管大得多，约为1.5至3.5伏。

白光LED或白光 LED灯

与白炽灯泡相比，LED 灯、灯泡、街道照明如今变得非常流行，因为 LED 在每单位输入功率（以毫瓦为单位）的光输出方面的效率非常高。因此，对于通用照明，白光是首选。为了在 LED 的帮助下产生白光，使用了两种方法：

1. 三基色RGB混合产生白光。该方法具有高量子效率。
2. 另一种方法是用不同颜色的荧光粉涂覆一种颜色的 LED，以产生白光。这种方法在商业上流行用于制造 LED 灯泡和照明设备。

LED的应用

• 电子显示器，如 OLED、micro-LED、量子点等。
• 作为 LED 指示灯。
• 在遥控器中。
• 灯饰。
• 光隔离器。

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