資料介紹
發(fā)光二極管通常稱為LED,它們雖然名不見經(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上的數(shù)字,從遙控器傳輸信息,為手表表盤照明并在設備開啟時向您發(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,或是用于點亮交通信號燈。
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,也不會變得特別燙。它們能夠發(fā)光,僅僅是半導體材料內(nèi)的電子運動的結(jié)果,并且它們的壽命同普通的晶體管一樣長。
在本文中,我們會分析這些無所不在的閃光元件背后的簡單原理,與此同時也會闡明一些饒有趣味的電學及光學原理。
二極管是最簡單的一種半導體設備。廣義的半導體是指那些具有可變導電能力的材料。大多數(shù)半導體是由不良導體摻入雜質(zhì)(另一種材料的原子)而形成的,而摻入雜質(zhì)的過程稱為摻雜。
就LED而言,典型的導體材料為砷化鋁鎵 (AlGaAs)。 在純凈的砷化鋁鎵中,每個原子與相鄰的原子聯(lián)結(jié)完好,沒有多余的自由電子(帶負電荷的粒子)來傳導電流。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)生了可供電子移動的空穴。無論是自由電子數(shù)目的增多還是空穴數(shù)目的增多,都會增強材料的導電性。
具有多余電子的半導體稱為N型材料,因其含有多余的帶負電荷的粒子。在N型材料中,自由電子能夠從帶負電荷的區(qū)域移往帶正電荷的區(qū)域。
擁有多余空穴的半導體稱為P型材料,因為它在導電效果上相當于含有帶正電荷的粒子。電子可以在空穴間轉(zhuǎn)移,從帶負電荷的區(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)域移往帶負電荷的區(qū)域。
一個二極管由一段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)只能沿一個方向傳導電流。當二極管兩端不加電壓時,N型材料中的電子會沿著層間的PN結(jié)(junction)運動,去填充P型材料中的空穴,并形成一個耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi),半導體材料回到它原來的絕緣態(tài)——即所有的空穴都被填充,因而耗盡區(qū)內(nèi)既沒有自由電子,也沒有供電子移動的空間,電荷則不能流動。
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