發光二極管

發光二極管（LED）是當電流順向流動時發光的半導體器件。 在相反的方向上，LED 會阻斷電流。 因此，LED 的電氣特性與二極管的電氣特性相對應。 發射光的波長取決于半導體材料和二極管的摻雜：光可以是人眼可見的，也可以在紅外線或紫外線輻射范圍內。

許多發光二極管n的半導體晶體被焊接到金屬支架中錐形凹陷的底部。 凹陷的內側充當從晶體側面發出的光的反射器。 焊點形成晶體的兩個電連接之一。 同時，它吸收了因半導體晶體僅將部分電輸出轉換為光而產生的廢熱。 在有線發光二極管n的情況下，帶有反射器的支架設計為具有矩形橫截面的電線，用作電連接。 與其他電子元件不同，連接不是由銅制成，而是用鍍錫鐵線制成。 鐵的導熱系數相對較低。 因此，當將元件焊接到印刷電路板上時，半導體晶體不會因過熱而損壞。

晶體的頂部僅通過非常細的鍵合線與第二端子電連接，因此引線只覆蓋了很少的發光表面。

陰極 (-) 在外殼底座的凸緣上標有一個平面。 在全新的發光二極管n的情況下，陰極連接也更短。 經驗法則：陰極 = 短 = 邊緣。 在大多數發光二極管中，反射器是陰極。 在極少數情況下，結構是相反的。 關于電路符號，規則適用于電流的技術方向由陽極（+）通過其形狀形成的箭頭“指示”。

高功率發光二極管 (H-LED) 在大于 20 毫安 (mA) 的電流下工作。 對散熱有特殊要求，以特殊設計表示。 熱量可以通過電源線、反射器槽或通過結合到身體中的熱導體來消散。 大多數 1 瓦以上的 H-LED 都可以安裝在散熱器上。 對于 LED（與白熾燈不同），高溫會導致效率降低，預期使用壽命也會縮短。

另一種可能是將發光二極管n芯片直接打線在電路板上（chip on board-COB），然后用硅膠封裝。 在專賣店，這些燈被稱為“COB-LED”。

多色發光二極管由一個外殼中的幾個 (2-4) 二極管組成。 它們通常有一個共同的陽極或陰極，并且每種顏色都有一個連接。 在雙端口版本中，兩個發光二極管芯片反并聯連接。 根據極性，一個或另一個二極管會亮起。 準連續的顏色變化可以通過合適的交流電的可變脈沖寬度比來實現。

發光二極管的基本結構對應于pn半導體二極管； 發光二極管n因此具有相同的基本性質。 一個很大的區別在于所使用的半導體材料。雖然不發光的二極管由硅制成，很少有鍺或硒制成，但發光二極管n的起始材料是直接半導體，通常是鎵化合物作為III-V族化合物半導體.

如果對半導體二極管施加正向偏置電壓，電子會從摻雜側遷移到 p-n 結。 在過渡到 p 摻雜側之后，電子然后過渡到能量上更有利的價帶。 這種躍遷稱為復合，因為它也可以解釋為導帶中的電子與缺陷電子（空穴）相遇。 復合期間釋放的能量通常在直接半導體中作為光（光子）直接發射。

除了直接輻射復合外，激子和聲子的參與也是可能的，導致能量略低的輻射（發射光的顏色s 變為紅色）。 這種機制在綠色磷化鎵發光二極管的激子發射中起著特別的作用。

不直接計入發光二極管但基于類似作用原理的特殊變體是激光二極管、諧振腔發光二極管（RCLED 或 RC-LED）和有機發光二極管 (OLED)。

半導體的能帶結構決定了電子從導帶躍遷到價帶以及從價帶躍遷過程中的能量轉移行為。 右圖中顯示了兩個簡化的能帶結構圖。 導帶和價帶的過程是根據波矢 k → {\\displaystyle {\\vec {k}}} 繪制的，顯然與表征必要動量轉移的倒易空間坐標相當。 顯示了半導體或帶躍遷的兩種基本形式：左側是直接半導體的輻射躍遷，右側是間接半導體的躍遷。

在硅等間接半導體的情況下，電子從導帶最小值到價帶xxx值的變化需要額外的動量轉移 k → {\\displaystyle {\\vec {k}}} 以確保動量守恒。 脈沖傳輸發生在通過聲子的發射或吸收（晶格振動）。 額外的準粒子必須參與躍遷的條件降低了它的概率。 因此間接半導體不適合作為發光二極管。 非輻射躍遷，例如通過缺陷進行的重組（肖克利-里德-霍爾重組）占主導地位。 因此，例如普通的整流二極管不會點亮。

相反，直接半導體的特征是“直接帶躍遷”，這意味著導帶底部（導帶最小值）和價帶頂部（價帶xxx值）的電子具有相同的動量. 因此，電子與光子（光）的發射直接躍遷是可能的，而不必為了動量守恒而涉及聲子。 直接半導體砷化鎵的量子產率在0.5左右，而間接半導體硅的量子產率只有1·10左右。

發射光子的能量等于帶隙的能量，即導帶和價帶之間的能量距離。

帶隙的大小，即能隙 E ″ ? E ′? ，決定了能量，即發射光的頻率、波長或顏色。 它可以通過半導體的化學成分來控制。 晶格中原子的交換改變了材料的晶體/分子結構，例如 它的晶格參數甚至它的晶格結構。 例如，半導體砷化鎵具有 1.4 eV 的直接帶隙，對應于 885 nm 的波長，即在近紅外范圍內。 磷的添加加寬了帶隙，使發射光更具能量，波長減小，顏色從紅外線過渡到紅色和黃色。 然而，晶體中磷的增加也會使導帶變形。 如果磷取代了 50% 的砷原子，則帶隙幾乎為兩個電子伏特，對應于 650 nm（紅色）的輻射，但能帶結構發生了變化，因此不再觀察到直接輻射躍遷。 帶隙的能量也反映在二極管正向電壓的大小上，如右圖所示。 長波光約為 1.5 V，藍光約為 3 V，而硅二極管的值較低，約為 0.6 V。

發光二極管的顏色本質上取決于所使用的半導體材料的帶隙。 帶隙可以在生產過程中通過半導體的成分在一定限度內變化。