LED灯，为什么会发光？

姬扬

我们生活在一个绚丽多彩的世界，光在这里是不可缺少的。自然界的光源就是太阳和月亮，还有几颗星星点缀在天空上。

后来人们发明了火，发明了电，逐渐有了越来越多的、越来越方便、越来越高效的照明方式。 LED就是其中的一种。

LED是英文单词的首字母缩写，含义是发光二极管，它是用半导体材料做成的发光器件。LED的优点是体积小，成本低，发光效率高，可以大批量的制作，已经广泛地应用在我们的生活和工作中。

那么LED是怎么发光的呢？这就要从半导体的结构讲起了。

半导体材料是高质量的晶体，其中的原子是周期性地排列在空间里。我们通常用能带理论来描述晶体。晶体中包含大量的原子，周期性地排列空间里，有些像我们国庆阅兵时候的三军仪仗队，但是规模要大得多了。每个原子包括带正电的原子核和带负电的电子，原子和原子之间有相互作用，这种空间周期性的相互作用可以在晶体里构成能带，而电子就位于这些能带里。晶体有很多能带，每个能带可以提供很多很多的位置供电子占据。

电子是所谓的费米子，他们不喜欢扎堆，各自待在自己的位置里，所以电子在能带中的分布是从能量最低的位置开始，逐渐向上也就是向能量高的位置排列的。因此，晶体能带里提供的位置，有些被电子占据，有些没有被电子占据。在有电子占据的能带里，能量最高的那个能带，如果它只被电子占据了一部分，就称为导带，这样的晶体就是金属，可以导电。如果这个能带被电子完全占据（称为价带），而比它能量更高的能带在里面没有电子（现在把这个空带称为导带了，只是此时的导带里没有任何电子），这样的材料就是绝缘体，它不能导电。价带顶和导带底有一定的能量间距，电子不能待在那里，成为禁带，禁带的宽度就是我们常说的带隙。

半导体实际上也是绝缘体，只是因为半导体里的带隙比较窄，在我们日常环境的温度里，价带里的一些电子可以被热激发到导带，所以它就会有一定的导电性质。这些被激发到导带里的电子，当然可以导电了，我们通常还称它为电子；而原本是被填满的价带里，因为缺少了一些电子，电子原来的位置就空出来了，这样的空位也可以帮助导电，我们称为空穴。半导体的发光性质是由价带、导带和能隙的性质以及电子和空穴的性质决定的

LED是发光二极管，它是一种二极管。二极管是由两片半导体材料构成的，其中一片是电子比较多的半导体（这可以通过掺杂来实现），另一片是空穴比较多，它们两个放在一起就会形成二极管，在接触的界面附近出现内部电场，电场的方向是从电子多的半导体指向空穴多的半导体。所以呢，对二极管施加电压的时候，你就会发现在有一个方向，随着电压的增大，电流迅速增大，而在相反的方向，施加电压以后，电流基本上不变，仍然是非常小。这就是二极管的单向导通特性。现在经常有人说，做人不能太二极管，就是借用这个二极管单向导体能够特性，实际上等于以前上说的“做人不能一根筋”的意思。

选择不同的半导体材料，通过掺入杂质或者是把不同的半导体材料组合起来，我们能够得到希望的结构，预先设计好的结构，这种设计通常是为了提高发光效率或者改变发光波长的。当电子遇到空穴的时候，处在导带的电子就会跳回到那个价带里的空位上，在这个电子-空穴复合过程中，就会发出电磁波，也就是光。发光的能量取决于半导体材料的带隙，根据制作LED的半导体材料的带隙大小，LED发出的光可以是红光，黄光，蓝光甚至红外光或者紫外光。我们通常看到的发光二极管，都是在可见光波段，因为人眼只能看到可见光，也就是通常说的赤橙黄绿青蓝紫这些颜色的光。

当然了，单色的光看起来并不一定舒服，为了LED发出白光，也就是所谓的白光LED，还需要增加一些额外的设计。一种方法是把不同颜色的发光二极管组合起来，给出白光的总效果。另一种方法是由蓝光的LED再加上荧光粉构成的，LED发出的蓝光照射荧光粉，可以把一部分蓝光转化成其他颜色的光，最后的效果看起来就像白光了。

审核：北京交通大学物理学实验室 高级工程师 周晓亮

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