2014年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了三位日本裔物理學(xué)家。獲獎的三位日本裔物理學(xué)家對白光發(fā)光二極管的發(fā)明做出了重大貢獻(xiàn)，使得白光發(fā)光二極管作為新型照明光源開始普及。

發(fā)光二極管,通常稱為LED，是在電子學(xué)世界里面的真正無名英雄。它們做了許多不同工作和在各種各樣的設(shè)備都可以看見它的存在。

什么是二極管?

二極管是半導(dǎo)體設(shè)備中的一種最常見的器件，大多數(shù)半導(dǎo)體最是由攙雜半導(dǎo)體材料制成(原子和其它物質(zhì))，發(fā)光二極管導(dǎo)體材料通常都是鋁砷化稼，在純鋁砷化稼中，所有的原子都完美的與它們的鄰居結(jié)合，沒有留下自由電子連接電流。

在攙雜物質(zhì)中，額外的原子改變電平衡，不是增加自由電子就是創(chuàng)造電子可以通過的空穴。這兩樣額外的條件都使得材料更具傳導(dǎo)性。

帶額外電子的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體，由于它帶有額外負(fù)電粒子，所以在N型半導(dǎo)體材料中，自由電子是從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動。

帶額外“電子空穴”的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體，由于帶有正電粒子。電子可以從另一個電子空穴跳向另一個電子空穴，從從負(fù)電區(qū)域向正電區(qū)域流動。

二極管是由N型半導(dǎo)體物質(zhì)與P型半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)合，每端都帶電子。這樣排列使電流只能從一個方向流動。

當(dāng)沒有電壓通過二極管時，電子就沿著過渡層之間的匯合處從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，從而形成一個損耗區(qū)。

在損耗區(qū)中，半導(dǎo)體物質(zhì)會回復(fù)到它原來的絕緣狀態(tài)——所有的這些“電子空穴”都會被填滿，所有就沒有自由電子或電子真空區(qū)和電流不能流動。

為了除掉損耗區(qū)就必須使N型向P型移動和空穴應(yīng)反向移動。為了達(dá)到目的，連接二極管N型一方到電流的負(fù)極和P型就連接到電流的正極。

這時在N型物質(zhì)的自由電子會被負(fù)極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質(zhì)中的電子空穴就移向另一方向。

當(dāng)電壓在電子之間足夠高的時候，在損耗區(qū)的電子將會在它的電子空穴中和再次開始自由移動。損耗區(qū)消失，電流通過二極管。

如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質(zhì)的負(fù)極電子被吸引到正極電子。

P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e誤的方向移動所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。

發(fā)光二極管為什么會發(fā)光？

當(dāng)pn結(jié)兩端做好電極引出管腳并封裝好后，就形成了一個二極管。二極管的特性基本就是pn結(jié)的特性，有的用作整流，有的用來檢波，有的可以發(fā)光；這些只不過是參數(shù)的調(diào)節(jié)或者材料的改變，其基本原理是相同的。

光是能量的一種形式，一種可以被原子釋放出來。是由許多有能量和動力但沒質(zhì)量的微小粒子似的小捆組成的。這些粒子被叫做光子，是光的最基本單位。光子是因?yàn)殡娮右苿硬裴尫懦鰜?。電子在不同的軌函?shù)有著不同等的能量。

當(dāng)二極管的兩端加上正向偏壓，大部分電壓就加到空間電荷區(qū)上。這時內(nèi)建電場電壓降低，打破了載流子的擴(kuò)散漂移平衡：p區(qū)空穴向n區(qū)擴(kuò)散、n區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散，等效于外加電場給n區(qū)注入空穴、給p區(qū)注入電子。

注入n區(qū)的空穴很快與電子復(fù)合輻射光子，注入p區(qū)的電子也很快與空穴復(fù)合輻射光子， pn結(jié)就在電場的作用下就不斷的發(fā)光。在外加正向電壓很小時，注入載流子的量極小，肉眼看不到發(fā)出的光；

只有當(dāng)外加電壓接近或超過內(nèi)建電場電壓時才會大量地注入載流子，這樣就可以看見二極管發(fā)出明亮的光。

對于發(fā)光二極管，需要注入的電子和空穴盡快地復(fù)合，復(fù)合電流占總電流的比例越大發(fā)光效率越高，讓電能更多地轉(zhuǎn)化為光能而不是熱能；而普通二極管一般需要注入的電子和空穴盡量少地復(fù)合。

自由電子從P型層通過二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導(dǎo)帶跌落到一個更低的軌函數(shù)，所以電子就是以光子形式釋放能量。這在任何二極管里都會發(fā)生的，在普通二極管里，半導(dǎo)體材料本身吸引大量的光能而結(jié)束。