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LED发光原理和应用

文章来源:未知时间:2024-05-01 点击:
LED在我们日常生活中使用广泛,夜幕降临时,街边的路灯,十字路口的红绿灯,汽车以及家用照明的各种灯具,都是LED灯,包括我们用的手机、电脑,绝大多数都是LED背光;LED还未问世的时候,照明大多数都使用白炽灯,不仅费电,照明效果还不好,自从LED问世,它就方便着我们生活的方方面面;今天,我们就来了解一下这个与我们息息相关的LED。

LED又称发光二极管,在了解LED之前,我们先来了解一下二极管。

二极管是由纯硅参杂组合而来,硅是元素周期表中的第14号原子,它的外层电子分布为:  ,最外层有4个电子,当硅原子形成晶体时,最外层电子会组成共价键,这时每个硅原子的最外层都有8个电子,这种结构非常稳定,既不容易失去电子,也不容易得到电子,也就是说电子不流通,电子不流通那它就不导电,我们为了让它导电,会在里面参杂一些杂质。

假如我往里面参杂了硼元素,硼元素是第5号元素,它的外层电子分布为:  ,最外层有3个电子,当它和硅原子参杂在一起时,硅原子的最外层会由原来的8个电子变成7个,此时会空出一个电子的位置,电子就可以在里面流通,原来不导电的硅晶体就具有了导电的特性。

我们再看另外一种情况,我们将往里面参杂的硼元素变为磷元素,磷元素是第15号元素,它的外层电子分布为:  ,最外层有5个电子,同样将它和硅原子进行参杂,这个时候硅的最外层电子就变成了9个,相对于8个的稳定状态,多了一个带负电的电子,原来不导电的硅晶体也就变得导电了。

当我们将这两种参杂方式的晶体结合在一起之后,就得到了一个半导体PN结,我们把用硼参杂的带正电的称为P型半导体,用磷参杂的带负电的称为N型半导体。

我们在两端加上电压,当P给负电压N给正电压的时候,P型半导体里面的空穴被电子填满,N型半导体里面的电子被吸引走,此时硅原子最外层电子恢复为8个,整个晶体将不会导通,电流无法通过;当我们将两端电压反过来之后,P型半导体带正电,N型半导体带负电,N型半导体中的电子会被吸引到P型半导体的空穴中。

也就是说,磷的一个最外层电子跑到了硼的最外层,磷的外层电子分布为:  ,硼的外层电子分布为:  ,也就是电子从3P跑到了2P,我们来看一下能级跃迁的能量图:

当电子从n=3能级跃迁到n=2能级时,释放出:



 
根据普朗克公式:
   
将:  带入上式得:
   
带入得:
   
计算得:
   
到这,我们就得到了一个能发出波长在656nm左右的发光二极管。
发光二极管的原理非常简单,但是想要做好发光二极管却不简单,如何提高发光的效率以及如何得到更多的波长,让它发出的光更加的接近自然光,都是需要解决的问题。
因为LED具有能耗低、体积小、无污染、响应快、驱动电压低等特性,LED出现后得到了及其迅速的发展和广泛的应用:主要还是通用照明,例如图片五和六,装饰和普通的照明:

近年来特殊照明领域,如汽车车灯发展也是非常的迅速和普及。作为结尾介绍一下LED在各种精密仪器中作为照明光源的应用,这也是一个很大的市场,数量也许没有照明LED、汽车车灯的量大,但是它的附加值很高,例如在高端仪器中的照明LED,图七是LED在干涉仪中作为光源(还具有频闪功能):

随着LED照明技术快速发展,创新性的技术革新和产品迭代,高亮度LED照明(行业简称:G-LED)己初步实现通用照明产品的标准化/系列化/通用化的同时,LED在高端科学仪器中的应用一定也是会得到发展,体积会更小、亮度高而且均匀、散热能力强,寿命更长。
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