二極管工作原理  發(fā)光二極管通常稱為LED，它們雖然名不見(jiàn)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(pán)上的數(shù)字，從遙控器傳輸信息，為手表表盤(pán)照明并在設(shè)備開(kāi)啟時(shí)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(diǎn)亮交通信號(hào)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(huì)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(yùn)動(dòng)的結(jié)果，并且它們的壽命同普通的晶體管一樣長(zhǎng)。   在本文中，我們會(huì)分析這些無(wú)所不在的閃光元件背后的簡(jiǎn)單原理，與此同時(shí)也會(huì)闡明一些饒有趣味的電學(xué)及光學(xué)原理。     二極管是最簡(jiǎn)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(guò)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(gè)原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好，沒(méi)有多余的自由電子（帶負(fù)電荷的粒子）來(lái)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(dòng)的空穴。無(wú)論是自由電子數(shù)目的增多還是空穴數(shù)目的增多，都會(huì)增強(qiáng)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(fù)電荷的粒子。在N型材料中，自由電子能夠從帶負(fù)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?yàn)樗趯?dǎo)電效果上相當(dāng)于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移，從帶負(fù)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(fù)電荷的區(qū)域。   一個(gè)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(gè)方向傳導(dǎo)電流。當(dāng)二極管兩端不加電壓時(shí)，N型材料中的電子會(huì)沿著層間的PN結(jié)

(junction)運(yùn)動(dòng)，去填充P

型材料中的空穴，并形成一個(gè)耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體材料回到它原來(lái)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(méi)有自由電子，也沒(méi)有供電子移動(dòng)的空間，電荷則不能流動(dòng)。     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(gè)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(shí)空穴沿相反的方向移動(dòng)。為此，您可以將二極管N型的一端與電路的負(fù)極相連，同時(shí)P型的那一端與正極相連。N 型材料中的自由電子被負(fù)極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會(huì)沿反方向移動(dòng)。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會(huì)被推出空穴，從而再次獲得自由移動(dòng)的能力。此時(shí)耗盡區(qū)消失，電荷可以通過(guò)二極管。     當(dāng)電路的負(fù)極與N型層、正極與P

型層相連時(shí)，  電子和空穴開(kāi)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(dòng)，將P型端連接到電路負(fù)極、N型端連接到正極的話，電流將不會(huì)流動(dòng)。N型材料中帶負(fù)電的電子會(huì)被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會(huì)被吸引到負(fù)極上。由于空穴與電子各自沿著錯(cuò)誤的方向運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)將不會(huì)有電流通過(guò)，耗盡區(qū)也會(huì)擴(kuò)大。（有關(guān)整個(gè)過(guò)程的更多信息，請(qǐng)參閱半導(dǎo)體工作原理。）  

  當(dāng)電路的正極連接到N型層、負(fù)極連接到P型層時(shí)，自由電子會(huì)聚集在二極管的一端，同時(shí)空穴會(huì)聚集在另一端。耗盡區(qū)會(huì)擴(kuò)大。 

在這種情形下，電子同空穴之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有趣的副作用——

發(fā)光！在下一節(jié)，我們將探討其來(lái)龍去脈。  光是一種能量形式，可由原子釋出。光由一些具有能量和動(dòng)量但無(wú)質(zhì)量的類粒子束組成。這些粒子稱為光子，是光的最基本單位。   電子的躍遷會(huì)釋放出光子。在原子結(jié)構(gòu)中，電子在原子核周圍的軌道中運(yùn)動(dòng)。電子在不同的軌道中具有不同的能量值。通常，能量更高的電子在離原子核更遠(yuǎn)的軌道中運(yùn)動(dòng)。   為了讓電子能夠從低能軌道躍遷至高能軌道，就必須提高它的能級(jí)。反過(guò)來(lái)，電子從高能軌道跌落至低能軌道時(shí)則會(huì)釋出能量。這種能量就以光子的形式得到釋放。能量差約大，釋出的光子能量就越大，繼而表現(xiàn)為更高的頻率。（有關(guān)詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)查看光的原理。）   我們?cè)谏弦还?jié)已經(jīng)了解到，自由電子通過(guò)二極管時(shí)會(huì)陷入P型層中的空穴。這一過(guò)程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會(huì)以光子的形式釋放出能量。這種情況在所有的二極管中都會(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)二極管由某些特定材料制成時(shí)，您才能看到光子。舉例來(lái)說(shuō)，普通硅二極管中的原子會(huì)以一種特定方式排列，在這種排列下，電子跌落的距離相對(duì)而言比較短，這導(dǎo)致產(chǎn)生的光子頻率過(guò)低（它們?cè)诠庾V中處于紅外線區(qū)域），不能為人眼所見(jiàn)。當(dāng)然，這也不一定就是壞事：紅外線LED有很多用途，例如它是制造遙控器的理想元件。   續(xù)  可見(jiàn)光發(fā)光二極管(VLED)，例如用來(lái)點(diǎn)亮電子鐘表中的數(shù)字的發(fā)光二極管，其構(gòu)成材料就以傳導(dǎo)帶與低軌道之間的間隙較大為特征。間隙的大小決定光子的頻率——從而決定了光的顏色。  

盡管所有的二極管都能發(fā)光，但大多數(shù)發(fā)光效果并不好。在普通二極管內(nèi)，大量的光能最終會(huì)被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED