二極管發(fā)光奧秘

二極管發(fā)光奧秘

光是一種能量形式，可由原子釋出。光由一些具有能量和動量但無質(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動。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的軌道中運動。

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。反過來，電子從高能軌道跌落至低能軌道時則會釋出能量。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)詳細說明，請查看光的原理。）

我們在上一節(jié)已經(jīng)了解到，自由電子通過二極管時會陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會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發(fā)生，但只有當(dāng)二極管由某些特定材料制成時，您才能看到光子。舉例來說，普通硅二極管中的原子會以一種特定方式排列，在這種排列下，電子跌落的距離相對而言比較短，這導(dǎo)致產(chǎn)生的光子頻率過低（它們在光譜中處于紅外線區(qū)域），不能為人眼所見。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。

可見光發(fā)光二極管(VLED)，例如用來點亮電子鐘表中的數(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)，大量的光能最終會被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED因其獨特的構(gòu)造，可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡里面。如下圖所示，二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側(cè)壁反射回來，然后繼續(xù)傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。

與傳統(tǒng)白熾燈相比，LED有幾點優(yōu)勢。首先，它們不含可燒盡的燈絲，因而壽命更長；另外，小型塑料燈泡使得它們更加耐用。還有，它們也易于裝配到現(xiàn)代電路中去。

而LED最主要的優(yōu)勢在于其高效性。傳統(tǒng)的白熾燈泡在發(fā)光過程中會散發(fā)出大量熱量（因為燈絲需要加熱）。這些熱能將是徹頭徹尾的浪費，除非您把燈當(dāng)作加熱器使用，因為絕大部分的電能都沒有產(chǎn)生可見光。相對來說，LED產(chǎn)生的熱量甚微，電能中直接用來發(fā)光的百分比要高很多，這樣可以大大降低用電需求。

LED由先進的半導(dǎo)體材料制成，因而相對昂貴，時至今日仍不能應(yīng)用于大多數(shù)照明設(shè)備中。然而過去十年間，半導(dǎo)體設(shè)備的價格已經(jīng)大幅下降，這使得LED照明在各種應(yīng)用場合都成為一種性價比更高的選擇。 盡管它們起初也許會比白熾燈更貴些，但更加低廉的長期成本還是會讓它們成為一筆劃算的買賣。并且，它們還會在未來的科技世界中扮演更加重要的角色。