LED灯（发光二极管）的发光原理

 摘要 发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。 发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。 

这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛地应用于显示器和照明。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

1、灯珠结构

LED（Light Emitting Diode）灯最重要的一个发光结构就是灯内如绿豆大小般的灯珠。虽然它的体积很小，但它却内有乾坤。

将LED灯珠结构放大之后，会发现有颗形如芝麻大小的晶片。

LED的灯珠微细结构图

这个晶片结构极其复杂，一共分为好几层：最上层叫做P型半导体层、中间层为发光层、最下层叫做N型半导体层。

那么，LED的光是怎么发出的？

2、发光原理

从物理学角度来理解：当电流通过晶片时，N型半导体内的电子与P型半导体内的空穴在发光层剧烈地碰撞复合产生光子，以光子的形式发出能量（即大家看见的光）。

发光二极管

LED也被称之为发光二极管，它的体积极小并且很脆弱，不方便于直接使用。于是设计者就为它添加了一个保护外壳并将它封存在内，这样就构成了易于使用的LED灯珠。

将许多LED灯珠拼连在一起后，就可以构成各种各样的LED灯。

灯杯型的LED灯

3、不同颜色的LED灯

不同材料的半导体会产生不同颜色的光色，如红光、绿光、蓝光等等。但是，到目前为止还没有任何一种半导体材料能发出白色的光。

可我们平时使用的白色LED灯珠又是怎么产生的呢？

4、白光LED灯的产生

这里就需要提到一位诺贝尔奖获得者——中村修二博士。他发明出了蓝光LED，由此也为白光LED奠定了一定的基础。基于这项重大的贡献在2014年授予他诺贝尔物理学奖。

中村修二（Shuji Nakamur）

至于蓝光LED是如何转变为白光LED，最大的原因在于晶片中多了一层荧光粉。

以上这幅图中不仅出现了上文所述的N型半导体层、P型半导体层、放光层，还多了一层“荧光粉涂层”。

基本的发光原理并没有太大的变化：在两层半导体之间，电子和与空穴碰撞复合并于发光层产生了蓝色的光子。

所产生的蓝光有一部分会直接穿过荧光涂层直接发射出去;剩下的一部分会打在荧光涂层上并与之作用产生黄色光子。蓝色光子与黄色光子共同作用（混合）就产生了白光。

上图是一个LED的光谱曲线：可以看到蓝光峰值位于波长450纳米处，而之后稍微低矮一点的峰值是由荧光粉吸收蓝光后所产生的黄光的峰值。

如果蓝光的占比多一点，则产生高色温的白光;相反，如果黄光占比多一点，则产生色温较低的白光。

5、各类生活中的成品LED灯：

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