在燈泡上：有更好的方法 使 光 現(xiàn)在! 有那些 緊湊的 熒光燈，例如 - 那些 為您節(jié)省能源和金錢。但是，更好的是，有LED (發(fā)光二極管)和燈泡一樣亮，最后 幾乎永遠(yuǎn)，幾乎不使用任何能源。指示燈是 特殊類型 二極管 (一種 電子的 允許的組件 電力 只流過一個 方向)。二極管已經(jīng)存在了幾十年，但LED是最近的發(fā)展。 讓我們仔細(xì)看看它們是如何工作的!

　　照片：不像 白熾燈 燈燈泡(用于手電筒之類的東西)燒壞相對較快，LED非?？煽?- 以至于它們通常直接焊接在電子電路板上。它們幾乎永遠(yuǎn)不會磨損!這是來自計算機打印機控制面板的微小LED指示燈。

　　導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別

　　如果你知道一點 電力, 你會知道材料 大致分為兩類。有一些讓電 流經(jīng)它們相當(dāng)好，被稱為 導(dǎo)體, 等 幾乎不讓電流流動，被稱為 絕緣 子. 五金 如 銅 和金是好導(dǎo)體的例子，而 塑料 和 木 是典型的絕緣體。

　　導(dǎo)體和絕緣體有什么區(qū)別? 當(dāng)固體連接在一起時，它們的 原子 鏈接起來。在像塑料這樣的東西中，原子中的電子被完全占據(jù)結(jié)合 原子變成分子并將分子固定在一起。他們不是 自由移動和導(dǎo)電。但在指揮家中 原子以不同的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。在金屬中， 例如，原子形成 結(jié)晶 結(jié)構(gòu)(有點像大小相等的彈珠 裝在一個盒子里)，它們的一些電子仍然自由 在整個材料中移動，沿途攜帶電力。

　　照片：LED比燈泡小得多，消耗的能量也只有燈泡的一小部分。它們特別適用于儀表板，這些儀表板必須一次點亮數(shù)小時。將許多二極管放在一起，您可以產(chǎn)生與傳統(tǒng)燈泡一樣多的光，并且仍然可以節(jié)省能源。

　　半導(dǎo)體的工作原理

　　并非一切都如此整齊地屬于兩類 導(dǎo)體或絕緣體。在任何材料上施加足夠大的電壓 它會變成導(dǎo)體，無論是通常是絕緣體還是 不。這就是閃電的工作原理。當(dāng)云在空中移動時 撿起電荷，在 本身和地面。最終，電壓是如此之大，以至于 云和地面之間的空氣(通常是絕緣體) 突然“崩潰”，成為一名指揮家——你得到一個 當(dāng)電流流過它時，巨大的閃電。

　　在中間發(fā)現(xiàn)的某些元素 周期的 桌子 (化學(xué)元素的有序分組)是 通常是絕緣體，但我們可以用 稱為摻雜的化學(xué)過程。 我們稱這些材料 半導(dǎo)體 硅和鍺是 兩個最著名的例子。 硅通常是一種絕緣體，但如果添加 元素銻的幾個原子，你有效地撒了一些 額外的電子并賦予其導(dǎo)電的能力。硅 以這種方式改變稱為 N型 (負(fù)類型)因為 額外的電子(此處顯示為黑色斑點)可以攜帶負(fù)電 通過它充電。

　　同樣，如果您添加 硼原子，你有效地從硅中帶走電子 并留下”孔“其中電子 應(yīng)該是。這種類型的 硅被稱為 P型 (正類型)因為孔(如圖所示) 作為白色斑點)可以移動 周圍并攜帶正電荷。

　　插圖：N型硅有額外的電子(黑色斑點)，而p型硅缺乏電子，我們可以將其視為“額外的空穴”(白色斑點)。

　　結(jié)二極管的工作原理

　　當(dāng)你開始放置p型和n型時，有趣的事情會發(fā)生 硅在一起。假設(shè)您加入一塊 n 型硅(與 電子略多)到一塊P型硅(與 稍微太少了)。會發(fā)生什么?一些額外的電子 n型將夾過連接(稱為 結(jié)) 進入 p 型的孔中 因此，在結(jié)的兩側(cè)，我們都會形成正常的硅。 同樣，其中的電子既不多也不太少。因為 普通硅不導(dǎo)電，這個結(jié)也不導(dǎo)電。 實際上，它成為n型和p型之間的屏障 硅，我們稱之為 耗盡區(qū) 因為它不含自由電子或空穴：

　　假設(shè)您連接了一個 電池 到這個小的P型/N型結(jié)。 什么 會發(fā)生嗎?這取決于電池的連接方式。如果你 使電池的負(fù)極端子加入N型 硅，電池的正極端子加入P型 硅，耗盡區(qū)急劇縮小。 電子和空穴在相反的結(jié)上移動 方向和電流流動。這稱為 正向偏置:

　　但是，如果反轉(zhuǎn)電流，則發(fā)生的所有情況是 耗盡區(qū)變寬。所有孔都向上推到一端，所有 電子向上推到另一端，根本沒有電流流動。 這稱為 反向偏置:

　　這就是普通二極管的工作原理以及為什么它允許電 電流只會單向流過它。將二極管視為 電氣 單行道。(晶體管, 順便說一下，將結(jié)點的想法更進一步 將三種不同的半導(dǎo)體材料并排放置 而不是兩個。

　　發(fā)光二極管的工作原理

　　LED只是設(shè)計用于發(fā)光的二極管。當(dāng)一個 二極管是正向偏置的，因此電子和空穴向后拉 在交界處，它們不斷地結(jié)合和 互相消滅。遲早，在電子從 將N型變成P型硅，它將與空穴和結(jié)合 消失。這使得原子完整且更穩(wěn)定，它給出了 在 微小“包”的形式或 光子 的光。

　　下圖總結(jié)了發(fā)生的情況：

　　N型硅(紅色)具有額外的電子(黑色)。

　　P型硅(藍(lán)色)有額外的孔(白色)。

　　連接在p-n結(jié)上的電池使二極管正向偏置，將電子從 N型到P型，向相反方向推孔。

　　電子和空穴穿過結(jié)并結(jié)合。

　　光子(光粒子)隨著電子和空穴的重組而釋放。

　　發(fā)光二極管的類型

　　照片(上圖和下圖)：LED 是透明的，因此光線會通過 通過他們。您可以在一端看到兩個電觸點 和圓潤的 鏡頭 在另一端。透鏡幫助LED產(chǎn)生明亮、聚焦的光束，就像微型燈泡一樣。

　　LED 經(jīng)過專門設(shè)計，因此可以照亮特定的 波長，它們內(nèi)置在圓形塑料燈泡中，以使其 光線更亮，更集中。紅色 LED 發(fā)光 波長約為630-660納米 - 恰好看起來 當(dāng)我們看到它時，它是紅色的，而藍(lán)色LED產(chǎn)生的光更短 波長約為430-500納米，我們看到的是藍(lán)色。 您還可以獲得不可見的LED 紅外線 光，即 在觸發(fā)的“魔眼”光束中很有用 光電電池 在光學(xué)之類的東西上 煙霧探測器 和 入侵者警報。 半導(dǎo)體激光器 在類似的工作中工作 通往 LED 的方式，但制造更純凈、更精確的光束。

　　相片：彩色LED產(chǎn)生不同波長的光。 紅色LED產(chǎn)生約630-660納米(nm)的更長波長，黃色在555-600nm處，以及 綠色在大約515-555nm處再次變短。在可見光譜之外，紅外LED使 波長大于約1000nm，而紫外LED往往短于400nm。

　　誰發(fā)明了 LED?

　　我們應(yīng)該為這個奇妙的小發(fā)明感謝誰? 尼克·霍洛尼亞克：1962年，他在通用電氣公司工作時提出了發(fā)光二極管的想法。您可能想觀看有關(guān)以下內(nèi)容的簡短(4 分鐘)視頻 尼克·霍洛尼亞克的生活和工作 以及他的想法 LED的未來(由Lemelson基金會提供);如果您覺得自己更有技術(shù)頭腦，可以在以下參考文獻中列出的專利中閱讀有關(guān)LED背后的固態(tài)物理的所有信息。

　　LED有什么好處?

　　簡而言之：

　　它們很小，而且相對便宜。

　　它們易于電子控制。

　　它們幾乎永遠(yuǎn)持續(xù)下去。這使得它們在交通信號燈方面非常出色。

　　它們以電子方式發(fā)光而不會變熱，這意味著它們可以節(jié)省大量能源。

　　照片：從該容器頂部照下來的紅色 LED 是 用于測試在太空中種植馬鈴薯的方法。LED比普通燈更適合，因為 它們不產(chǎn)生熱量(這會使植物變干)。 這些LED產(chǎn)生的紅光使植物更有效地進行光合作用(從光和水中產(chǎn)生生長)。 圖片由 美國宇航局馬歇爾太空飛行中心(NASA-MSFC).

　　LED的下一步是什么?

　　這是自尼克·霍洛尼亞克(Nick Holonyak)發(fā)明LED以來五十年來最好的部分，但該技術(shù)仍在發(fā)展中。 在 1970 年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們可以用有機(碳基)材料制造 LED，從而產(chǎn)生了 自 發(fā)光二極管 (有機LED)現(xiàn)在在薄型，扁平，有時甚至是柔性顯示器中越來越流行。二十年后，三位日本出生的科學(xué)家(赤崎勇、天野宏和中村修二) 發(fā)明了使用半導(dǎo)體氮化鎵的藍(lán)光發(fā)光二極管， 為他們贏得 2014年諾貝爾物理學(xué)獎.紅色和綠色 LED 已經(jīng)存在了 如果你還記得早期的數(shù)字手表，你就會知道它們的LED顯示屏總是紅色的，但藍(lán)光總是難以捉摸。對藍(lán)色LED的征服使得產(chǎn)生完美的白光成為可能(通過 結(jié)合紅色、綠色和藍(lán)色 LED，或通過白色熒光粉照射藍(lán)光)，因此使 節(jié)能LED燈與較舊和效率較低的技術(shù)有效競爭 喜歡 白熾燈 和 緊湊型熒光燈.氮化鎵LED現(xiàn)在也進入了全尺寸彩色顯示器：它們比競爭對手更亮，效率更高。 液晶顯示器 顯示器和OLED，雖然在大屏幕尺寸上不是那么好。

　　圖稿：藍(lán)光LED的早期設(shè)計結(jié)構(gòu)，由藍(lán)寶石上的多層制成(Al2O3 酶作用物。圖中的數(shù)字表示：1 = 藍(lán)寶石襯底;2=氮化鋁緩沖層;3 = 由摻雜硅的氮化鎵制成的n型層;4 = 由氮化銦鎵制成的半絕緣半p型層;5=p型氮化鋁鎵包層;6 = 摻雜鎂的氮化鎵制成的p型層;7=鋁正極;8 = 鋁負(fù)極;9 = 電極之間的絕緣槽。在這種情況下，LED 向下發(fā)光，如黃色箭頭所示。藝術(shù)品來自 美國專利5，862，167：使用氮化鎵化合物的發(fā)光半導(dǎo)體器件 作者：Michinari Sassa等人(合著者包括諾貝爾獎獲得者Isamu Akasaki和Hiroshi Amano)，由美國專利商標(biāo)局提供。

　　該領(lǐng)域的另一個新發(fā)展是microLED顯示屏，它由非常明亮，非常高效的LED制成，像素密度比筆記本電腦和智能手機等目前使用的屏幕高得多。盡管microLED仍然是一項非常新的技術(shù)，但它們有望在平視顯示器等應(yīng)用中得到應(yīng)用。 虛擬現(xiàn)實 和增強現(xiàn)實 以及使用更少電池電量的智能手機屏幕。