LED为什么会发光概念首先要清楚我们平时见到的光本质上就是特定频率范围的电磁波电磁波宏观上叫电磁波微观上叫光子。电磁波分很多种比如说无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等等。但是只有一段特定频率是人眼能感知的这一段频率范围内的电磁波我们就称为可见光。我们平时说的LED学名叫作发光二极管本质上就是一种半导体发光器件它的内部是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结。当我们给LED加上正向电压PN结就会导通电路里的电子和空穴会快速相互结合。电子是带负电的粒子它的周围永远裹着一层电场。在外部电场没有变化时电子会稳稳地待在低能量的价带区域一旦通电电场变化电子就会被激发到高能量的导带区域而价带失去电子后形成空穴。此时电子和空穴想要复合电子就需要掉回到价带区域。怎么复合呢根据材料的不同一共有2种方式。第一种是直接带隙半导体材料(如氮化镓、砷化镓等)这种材料导带最低处和价带最高处一模一样我们称为动量一模一样可以理解为导带电子姿势和价带空穴姿势一样电子可以直接从导带最低处垂直往下跳到价带最高处。第二种是间接带隙半导体材料(如硅、锗等)这种材料导带动量大价带动量小可以理解为导带电子姿势和价带空穴姿势不一样。既然动量不匹配电子就需要想办法调整自己的动量或者说姿势当电子的动量和空穴的动量一致时电子和空穴就能复合。那电子和空穴复合和发光现象有什么关系呢因为世间万物都要遵循动量守恒原理和能量守恒原理。电子和空穴复合时多余的能量只有两种释放方式变成光子发光或变成晶格原子热振动发热。对于间接间隙半导体材料因为电子在导带和空穴在价带的动量不一样所以要复合动量和能量都要变换。由于动量不匹配无法复合所以电子需要先调整自己的动量。怎么调整呢这是一场没有预谋却必然会发生的、热火朝天的战斗。要知道世界上所有的物质都是由原子/分子组成的常温下不管是半导体、金属、石头、木头、亦或是人内部的原子都在疯狂小幅振动。温度越高的时候原子抖得越厉害这种振动叫作热振动是所有材料天生自带的。只要温度高于绝对零度(-273.15℃)原子就一定在不停抖/不停振动。电子没有思想只有和空穴复合的本能它也不知道自己该失去还是该获得动量。在不能复合的时候它就在导带里乱飘这个过程就会撞上正在热振动的晶格原子。晶格是半导体材料内部原子排列的一种结构半导体里的原子不是孤立的而是整整齐齐、按固定规律排成规则排列成晶体晶格的样子我们把这些原子称为晶格原子。晶格原子被化学键束缚热振动的动量大小、方向连续可变能吸收电子的任意动量帮电子完成动量匹配。电子在导带随机碰撞尝试跃迁。通过多次和晶格原子随机碰撞不断调整动量值直到动量刚好和空穴的动量一致时就进入价带和空穴复合。电子撞击原子的时候一方面通过撞击不断调整自己的动量同时也会把自己的一部分动能(能量)传给原子每撞一次就会丢一点能量变成热能等到动量对齐可以复合时剩下的能量已经很少了几乎没有能量来产生光子了因此热多光少发热明显肉眼看不到光。而对于直接间隙半导体材料因为电子在导带和空穴在价带的动量一样要复合只有能量会变化所以只需要能量守恒即可。导带能量高价带能量低所以电子从导带跳到价带需要释放能量能量几乎全部用来产生光子因此光多热少发光明显。总结因此制作发光二极管时采用的是直接带隙半导体材料。这种材料电子可以直接掉下去不需要其他粒子帮忙多余的能量不会变成热量散失而是直接以可见光光子的形式向外释放出来。这是因为能量不能凭空消失带电粒子能量突变、速度突变时就会向外辐射电磁波不同材质的半导体材料释放出的光波波长不一样所以就有了红灯、绿灯、蓝灯、白灯这些不同颜色。这就是LED发光的根本原因。而普通的二极管或电阻之类的元件是间接带隙半导体材料制成的导带电子和价带空穴的动量对不上电子想落回去必须先把多余的动量传递给晶格原子让电子和空穴的动量一致才能复合这个过程主要是碰撞导致原子振动加剧发热明显只有极低的概率会产生光子就算产生了也是红外电磁波人眼看不见所以电压/电流过大时我们总会感受到二极管/电阻发热的现象。细节问题1、什么是动量什么是能量什么叫动量位置能量电子处在什么高度价带低能量(低处)导带高能量(高处)带隙高低差多少电子从高处(导带)掉道低处(价带)能量会减少释放出来变成光或热。能量只管电子高低差多少能发出多大能量的光子。动量动量子运动的状态可以理解为电子在晶体里的运动姿势/方向/速度。在半导体量子图里横轴是动量纵轴是能量。价带电子平时待的区域最高点是空穴位置导带电子激发后去的区域最低点是电子最容易待的地方2、什么是直接带隙、间接带隙、带隙能量一个物体是直接带隙还是简介带隙带隙能量是多少都是由组成该物体的材料决定的。晶体原子怎么排列、晶格结构以及化学键决定了是直接带隙材料还是间接带隙材料。直接带隙导带底和价带顶在动量上对齐间接带隙不对齐。原子种类、原子间距、电子轨道、键能决定了材料带隙能量的大小也就是导带和价带之间的能量差是多少直接带隙导带最低处和价带最高处一模一样即动量一模一样(导带电子姿势和价带空穴姿势一样)电子从导带最低处垂直往下跳到价带最高处动量不会变化只有能量的变化也就直接放出光子发光。间接带隙导带最低处在右边(动量大)价带最高处(在中间)两者横坐标不一样(导带电子姿势和价带空穴姿势不一样)电子要跳下去动量差一大截必须撞击原子把多余的动量丢掉(撞原子改姿势)而原子振动会发热所以间接带隙材料的能量主要以热量释放。能量决定了能发出什么颜色的光而动量决定是直接发光还是必须发热值得注意的是直接带隙还是间接带隙与带隙能量大小是相互独立的特性。有的间接带隙能量很高够发可见光但还是不发光是因为动量不对有的直接带隙能量很低只能发红外光但能发光。做LED就是专门选对齐(直接带隙)带隙能量刚好合适 的材料。3、为什么直接带隙半导体材料电子在导带和价带的动量(位置)一样而间接带隙半导体电子不一样这是半导体材料本身的固有特性。不同半导体的原子排列和原子种类不一样。比如氮化镓、砷化镓导带底、价带顶在同一个位置这种结构的材料我们称为直接带隙半导体材料能发光硅、锗这类材料导带底和价带顶不在同一动量位置这种结构的材料我们称为直接带隙半导体材料主要发热就像木头能燃烧石头不能燃烧贴能被磁铁吸铜不能一样都是材料天生自带的性质。原子怎么排列电子怎么在晶格中运动完全由原子核电荷、原子间距、化学键结构决定。所以在制作LED时通常会选择直接带隙材料而做电阻等元件时会选择间接带隙材料。4、为什么间接带隙能发光也不发光因为电子和空穴复合是电子的本能也是最终目的是必然要发生也是最重要的事情。复合时多余的能量只有两种释放方式变成光子发光或是晶格原子热振动发热。直接带隙动量天然匹配不需要做动量变换只需要能量守恒电子和空穴就能复合所以有大量的能量产生光子因此光多热少发光明显而间接带隙的动量不匹配电子想要和空穴复合首要目的是要动量达成一致所以电子必须先通过多次碰撞原子来调整自己的动量才能完成复合。在这个过程中极大部分能量直接转化成了热能释放只有极少部分能量形成光子最终热多光少肉眼基本看不到光。5、为什么是原子吸收电子的动量而不是电子吸收原子的动量达到匹配空穴的状态其实两种情况都可以发生但 LED / 半导体在常温下几乎一定是电子把动量丢给原子而不是反过来。原子一直在热振动本身就带着动量电子可以抢走原子的动量也可以把动量丢给原子但是电子在电场的加持下位于能量高、动量大的导带而空穴在价带电子要往低动量方向跳就必须减少动量所以需要将多余的动量给到原子