神奇的電學 電學小課堂：顛覆人類照明的發光二極管-LED。
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發明天才的人真是個LED老燈
這種大玻璃燈泡子都見過吧
照明沒問題
就是開去有了燙手
這是由於自由電子與燈絲中的原子相互摩擦
將大量的電能轉化爲了無用的熱能
但LED燈就不同了
在同一電源下
LED的功率僅有白織燈的百分之十幾
絕對是便宜又好用
所以僅僅幾年時間
市面上的白織燈幾乎已經被LED所替代
那到底什麼是LED呢
Light Emitting Diode
發光二極管
簡稱LED
它是一種擁有兩條腿的小型半導體元件
只要有電流通過身體就能發光
與白織燈和電阻器不同
當施加的電壓高於其正向電壓閾值時
LED纔會開始導電併發光
它體內的微型半導體材料
會以光子的形式發射能量
LED的電路符號與二極管相似
頭上多出的兩個小箭頭表示它能夠發光
其中陽極A爲正極
是電流的輸入端
陰極K爲負極
是電流的輸出端
可見光LED的光波波長在380到740納米左右
這也是人眼可以識別的範圍
與二極管的結構一樣
LED的內部就是一個PN結
分別是P型半導體和N型半導體
只是兩者的摻雜不同
其中P型包含空旋和正電荷載流子
位於LED的陽極一側
N型包含可移動的自由電子
組成陰極的負電荷載流子
我們將PN兩極合併
自由電子與空旋就會在邊界上重新結合
併產生一個沒有自由電荷的耗盡區
它可以像屏障一樣阻礙兩邊的電荷移動
直到我們給它施加足夠的電壓來衝破它
這就解釋了爲什麼LED需要超過電壓預值才能夠發光
當我們給它接通電源時
PN結在正向偏壓的作用下
自由電子會快速穿過耗盡區與空旋結合
並將多餘的能量以光子的形式釋放出來
而這就是LED燈能夠發光的真正原因
此時有同學會問
光子爲什麼能從LED中的PN結髮射出來呢
那我們就要從原子說起了
原子的中心有一個包含質子和中子的原子核
外面是包含電子的竅層
每個竅層只能容納一定量的電子
在電荷的致力作用下
每個電子必須具有一定量的能量才能被接受在竅層中
並且竅層與原子核的距離越遠
電子與該竅層所需的能量就越大
因爲距離越遠
原子核所在的正電荷對電子的影響越小
因此增加了電子的靜態勢能
同時靠近原子核的電子也會保護外層電子免受原子核的一些影響
我們可以通過輪琴定律來解釋這個過程
在電子的衆多殼層中
最外層被稱作架殼層
架殼層的外部就是導帶
當我們接通電源時
N型半導體中的自由電子會穿過耗盡區
隨即注入P型半導體的空穴中
在這個過程中
它們必須損失掉一部分穿越屏障的能量
而對於使用直接代錫材料的半導體中
這種能量會以光子電質發光的形式釋放出來
如果是間接代錫材料
那就會以熱量的形式損失
接下來我們再看看LED在電路中是如何工作的
將LED以二極管的方式接入電路
PN結就會開始發光
因爲二極管只允許電流沿一個方向流動
也就是我們所說的單向導通
那如果翻轉電極呢
那電路就會被隔斷
所以在連接LED燈的時候一定要看準正負極
接反了肯定不亮
那LED的內部結構是啥樣的呢
它一般由多層結構組成
最底部是用藍寶石或者碳化硅組成的基板
作用在於支撐上方的所有部件
首先PN結會直接固定在襯底
下層是N型
上層是P型
中間是耗盡區
當我們施加正向偏壓時
自由電子會從N進入P的空穴
並在耗盡區以光子的形式釋放能量
爲了提供穩定的電子流
連接處的兩側都會有金屬觸點
並用微小的引線將頂部觸點連接到外部引線框架
而底部觸點通常直接與基板連接
這些金屬通路會確保電流以最小的阻力到達活動區域
包括燈芯的部分叫做封裝圓頂
材料一般爲彩色或者透明的還陽樹脂
可用於保護半導體免受灰塵或者潮溼的影響
並起到聚焦光束的作用
在高功率的白色LED中
我們通常還會增加一個熒光粉塗層
這層薄薄的熒光粉可以吸收原生藍光
並將其反射爲光譜白光
這就是你待用手機手電筒或者房間照明時
光線既溫柔又均衡的原因
在我們的日常生活中
會有各種各樣的LED燈類型
最常見的就是作爲指示燈的圓頂型
還有一種就是貼片型
也就是SMD表面封裝結構
它可以焊接在電路板上
照明LED燈泡一般就是由多個LED貼片組成的
它的應用也是非常非常廣泛