在灯泡上：有更好的方法 使 光 现在! 有那些 紧凑的 荧光灯，例如 - 那些 为您节省能源和金钱。但是，更好的是，有LED (发光二极管)和灯泡一样亮，最后 几乎永远，几乎不使用任何能源。指示灯是 特殊类型 二极管 (一种 电子的 允许的组件 电力 只流过一个 方向)。二极管已经存在了几十年，但LED是最近的发展。 让我们仔细看看它们是如何工作的!

　　照片：不像 白炽灯 灯灯泡(用于手电筒之类的东西)烧坏相对较快，LED非常可靠 - 以至于它们通常直接焊接在电子电路板上。它们几乎永远不会磨损!这是来自计算机打印机控制面板的微小LED指示灯。

　　导体和绝缘体的区别

　　如果你知道一点 电力, 你会知道材料 大致分为两类。有一些让电 流经它们相当好，被称为 导体, 等 几乎不让电流流动，被称为 绝缘 子. 五金 如 铜 和金是好导体的例子，而 塑料 和 木 是典型的绝缘体。

　　导体和绝缘体有什么区别? 当固体连接在一起时，它们的 原子 链接起来。在像塑料这样的东西中，原子中的电子被完全占据结合 原子变成分子并将分子固定在一起。他们不是 自由移动和导电。但在指挥家中 原子以不同的结构结合在一起。在金属中， 例如，原子形成 结晶 结构(有点像大小相等的弹珠 装在一个盒子里)，它们的一些电子仍然自由 在整个材料中移动，沿途携带电力。

　　照片：LED比灯泡小得多，消耗的能量也只有灯泡的一小部分。它们特别适用于仪表板，这些仪表板必须一次点亮数小时。将许多二极管放在一起，您可以产生与传统灯泡一样多的光，并且仍然可以节省能源。

　　半导体的工作原理

　　并非一切都如此整齐地属于两类 导体或绝缘体。在任何材料上施加足够大的电压 它会变成导体，无论是通常是绝缘体还是 不。这就是闪电的工作原理。当云在空中移动时 捡起电荷，在 本身和地面。最终，电压是如此之大，以至于 云和地面之间的空气(通常是绝缘体) 突然“崩溃”，成为一名指挥家——你得到一个 当电流流过它时，巨大的闪电。

　　在中间发现的某些元素 周期的 桌子 (化学元素的有序分组)是 通常是绝缘体，但我们可以用 称为掺杂的化学过程。 我们称这些材料 半导体 硅和锗是 两个最著名的例子。 硅通常是一种绝缘体，但如果添加 元素锑的几个原子，你有效地撒了一些 额外的电子并赋予其导电的能力。硅 以这种方式改变称为 N型 (负类型)因为 额外的电子(此处显示为黑色斑点)可以携带负电 通过它充电。

　　同样，如果您添加 硼原子，你有效地从硅中带走电子 并留下”孔“其中电子 应该是。这种类型的 硅被称为 P型 (正类型)因为孔(如图所示) 作为白色斑点)可以移动 周围并携带正电荷。

　　插图：N型硅有额外的电子(黑色斑点)，而p型硅缺乏电子，我们可以将其视为“额外的空穴”(白色斑点)。

　　结二极管的工作原理

　　当你开始放置p型和n型时，有趣的事情会发生 硅在一起。假设您加入一块 n 型硅(与 电子略多)到一块P型硅(与 稍微太少了)。会发生什么?一些额外的电子 n型将夹过连接(称为 结) 进入 p 型的孔中 因此，在结的两侧，我们都会形成正常的硅。 同样，其中的电子既不多也不太少。因为 普通硅不导电，这个结也不导电。 实际上，它成为n型和p型之间的屏障 硅，我们称之为 耗尽区 因为它不含自由电子或空穴：

　　假设您连接了一个 电池 到这个小的P型/N型结。 什么 会发生吗?这取决于电池的连接方式。如果你 使电池的负极端子加入N型 硅，电池的正极端子加入P型 硅，耗尽区急剧缩小。 电子和空穴在相反的结上移动 方向和电流流动。这称为 正向偏置:

　　但是，如果反转电流，则发生的所有情况是 耗尽区变宽。所有孔都向上推到一端，所有 电子向上推到另一端，根本没有电流流动。 这称为 反向偏置:

　　这就是普通二极管的工作原理以及为什么它允许电 电流只会单向流过它。将二极管视为 电气 单行道。(晶体管, 顺便说一下，将结点的想法更进一步 将三种不同的半导体材料并排放置 而不是两个。

　　发光二极管的工作原理

　　LED只是设计用于发光的二极管。当一个 二极管是正向偏置的，因此电子和空穴向后拉 在交界处，它们不断地结合和 互相消灭。迟早，在电子从 将N型变成P型硅，它将与空穴和结合 消失。这使得原子完整且更稳定，它给出了 在 微小“包”的形式或 光子 的光。

　　下图总结了发生的情况：

　　N型硅(红色)具有额外的电子(黑色)。

　　P型硅(蓝色)有额外的孔(白色)。

　　连接在p-n结上的电池使二极管正向偏置，将电子从 N型到P型，向相反方向推孔。

　　电子和空穴穿过结并结合。

　　光子(光粒子)随着电子和空穴的重组而释放。

　　发光二极管的类型

　　照片(上图和下图)：LED 是透明的，因此光线会通过 通过他们。您可以在一端看到两个电触点 和圆润的 镜头 在另一端。透镜帮助LED产生明亮、聚焦的光束，就像微型灯泡一样。

　　LED 经过专门设计，因此可以照亮特定的 波长，它们内置在圆形塑料灯泡中，以使其 光线更亮，更集中。红色 LED 发光 波长约为630-660纳米 - 恰好看起来 当我们看到它时，它是红色的，而蓝色LED产生的光更短 波长约为430-500纳米，我们看到的是蓝色。 您还可以获得不可见的LED 红外线 光，即 在触发的“魔眼”光束中很有用 光电电池 在光学之类的东西上 烟雾探测器 和 入侵者警报。 半导体激光器 在类似的工作中工作 通往 LED 的方式，但制造更纯净、更精确的光束。

　　相片：彩色LED产生不同波长的光。 红色LED产生约630-660纳米(nm)的更长波长，黄色在555-600nm处，以及 绿色在大约515-555nm处再次变短。在可见光谱之外，红外LED使 波长大于约1000nm，而紫外LED往往短于400nm。

　　谁发明了 LED?

　　我们应该为这个奇妙的小发明感谢谁? 尼克·霍洛尼亚克：1962年，他在通用电气公司工作时提出了发光二极管的想法。您可能想观看有关以下内容的简短(4 分钟)视频 尼克·霍洛尼亚克的生活和工作 以及他的想法 LED的未来(由Lemelson基金会提供);如果您觉得自己更有技术头脑，可以在以下参考文献中列出的专利中阅读有关LED背后的固态物理的所有信息。

　　LED有什么好处?

　　简而言之：

　　它们很小，而且相对便宜。

　　它们易于电子控制。

　　它们几乎永远持续下去。这使得它们在交通信号灯方面非常出色。

　　它们以电子方式发光而不会变热，这意味着它们可以节省大量能源。

　　照片：从该容器顶部照下来的红色 LED 是 用于测试在太空中种植马铃薯的方法。LED比普通灯更适合，因为 它们不产生热量(这会使植物变干)。 这些LED产生的红光使植物更有效地进行光合作用(从光和水中产生生长)。 图片由 美国宇航局马歇尔太空飞行中心(NASA-MSFC).

　　LED的下一步是什么?

　　这是自尼克·霍洛尼亚克(Nick Holonyak)发明LED以来五十年来最好的部分，但该技术仍在发展中。 在 1970 年代，科学家发现他们可以用有机(碳基)材料制造 LED，从而产生了 自 发光二极管 (有机LED)现在在薄型，扁平，有时甚至是柔性显示器中越来越流行。二十年后，三位日本出生的科学家(赤崎勇、天野宏和中村修二) 发明了使用半导体氮化镓的蓝光发光二极管， 为他们赢得 2014年诺贝尔物理学奖.红色和绿色 LED 已经存在了 如果你还记得早期的数字手表，你就会知道它们的LED显示屏总是红色的，但蓝光总是难以捉摸。对蓝色LED的征服使得产生完美的白光成为可能(通过 结合红色、绿色和蓝色 LED，或通过白色荧光粉照射蓝光)，因此使 节能LED灯与较旧和效率较低的技术有效竞争 喜欢 白炽灯 和 紧凑型荧光灯.氮化镓LED现在也进入了全尺寸彩色显示器：它们比竞争对手更亮，效率更高。 液晶显示器 显示器和OLED，虽然在大屏幕尺寸上不是那么好。

　　图稿：蓝光LED的早期设计结构，由蓝宝石上的多层制成(Al2O3 酶作用物。图中的数字表示：1 = 蓝宝石衬底;2=氮化铝缓冲层;3 = 由掺杂硅的氮化镓制成的n型层;4 = 由氮化铟镓制成的半绝缘半p型层;5=p型氮化铝镓包层;6 = 掺杂镁的氮化镓制成的p型层;7=铝正极;8 = 铝负极;9 = 电极之间的绝缘槽。在这种情况下，LED 向下发光，如黄色箭头所示。艺术品来自 美国专利5，862，167：使用氮化镓化合物的发光半导体器件 作者：Michinari Sassa等人(合著者包括诺贝尔奖获得者Isamu Akasaki和Hiroshi Amano)，由美国专利商标局提供。

　　该领域的另一个新发展是microLED显示屏，它由非常明亮，非常高效的LED制成，像素密度比笔记本电脑和智能手机等目前使用的屏幕高得多。尽管microLED仍然是一项非常新的技术，但它们有望在平视显示器等应用中得到应用。 虚拟现实 和增强现实 以及使用更少电池电量的智能手机屏幕。