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发光二极管的工作原理

来源: | 发布日期:2021-10-15

发光二极管一般称为LEDLED灯珠。它们的用途十分广泛,大街小巷都有它们的身影,例如十字路口的红绿灯提示大家遵守交通规则,各种遥控器发射或接收信息,可以组成超大显示屏的图像,还有夜晚温暖人们的各种路灯,或者是日常生活中的家用电器等等,都离不开它们的贡献。

从本质上来说,发光二极管是一种很容易装配到电子电路中的微型灯泡。但是它们不会像普通的白炽灯那样里面含有可烧尽的灯丝,也不会随着时间的流逝变得特别烫手。它们之所以能发光,其实是因为半导体材料内电子运动的结果,并且它们的寿命和普通的晶体管一样长。接下来呢,我们会在本文中分析这些有利于我们且无所不在的光电元器件背后的工作原理。直插焊线1

大家都知道二极管是最简单的一种半导体设备,通常是指那些具有可变导电能力的材料。现在大部分的半导体是由不良导体加入另外一种材料的原子形成的,而这个过程我们称之为掺杂。就发光二极管而言,典型的导体材料砷化铝镓(AlGaAs),在纯净的砷化铝镓中,每个原子与相邻的原子联结完好没有多余的带负电荷的粒子来传导电流。材料经过掺杂后,掺入的原子打破了原有的平衡,材料内便产生了自由电子或者是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数量的增加还是空穴数量的增加,都会增强材料的导电性。

具有多余电子的半导体称为N型材料,其中含有多余带负电荷的粒子。在N型材料中,自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。然后拥有多余空穴的半导体我们称为P型材料,它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。

一个二极管由一段P型材料和一段N型材料相连而成,并且两端连有电极,这种结构只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不增加电压时,N型材料中的电子会沿着层间的PN结运动,去填充P型材料中的空穴,并形成一个耗尽区。在耗尽区内,半导体材料回到他原来的绝缘态(即所有的空穴都被填充),因而耗尽区内既没有自由电子,也没有供电子移动的空间,电荷则不能流动。

为了使耗尽区消失,必须使电子从N型区域移往P型区域,同时空穴沿相反的方向移动。因此,我们可以将二极管N型的一端与电路的负极相连,同时P型的那一端与正极相连。如果两电极之间的电压足够高,耗尽区内的电子会被推出空穴,从而再次获得自由移动的能力。此时耗尽区消失,电荷可以通过二极管。

如果我们让电流沿反方向流动,将P型端连接到电路负极而N型端连接到正极的话,电流将不会移动。N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上;P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动,PN结将不会有电流通过,耗尽区也会扩大。

在电子同空穴之间的相互作用会产生一个有趣的副作用,那就是发光!光是一种能量形式,可以由原子释出,它由一些具有能量和动量但是没有质量的类粒子束组成。这些粒子称为光子,是光的最基本单位。电子的跃迁会释放出光子,在原子结构中,电子在原子核周围的轨道中运动。电子在不同的轨道中具有不同的能量值。通常,能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。

为了使电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道,就必须提高它的能级。反过来,电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。这种能量就会以光子的形式得到释放。能量差越大,释出得光子能量就越大,继而表现出更高的频率。尽管所有的二极管都能发光,但是大部分的发光效果并不好。在普通二极管内,大量的光能最终会被半导体材料自身吸收。LED因其独特的构造,可以向外释放大量的光子。如果它们被安置在一个可以将光线汇聚到某个特定方向的塑料灯泡里面,二极管发出的大部分光线被灯泡侧壁反射回来,然后继续传播,直到它们穿过灯泡的圆形顶端。

10mm雾状

与传统白炽灯相比,LED发光二极管有几点优势。首先,它们没有含可烧尽的灯丝,因此寿命更长。另外,小型塑料灯泡使得它们更加耐用。还有,它们更容易装配到现代电路里面。其实LED灯珠最主要的优势是在于其高效性,传统的白炽灯在发光的时候会散发大量热量。这些热能将完全浪费掉,除非我们把灯当作加热器使用,因为大部分的电能都没有产生可见光。而LED产生的热量甚微,电能中直接用来发光的百分比要高很多,这样可以很大程度的降低用电需求。

LED发光二极管由先进的半导体材料制成,因此比较昂贵,然而过去十年间,半导体设备价格已经大幅下降,这使得LED照明在各种应用领域都成为性价比更高的选择。尽管它们刚开始会比白炽灯更贵些,但更加低廉的长期成本还是会让它们成为性价比较高的一种选择。并且,它们还会在未来的科技世界中扮演更加重要的角色。

最后,感谢大家的阅读!

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