發光二極管是如何發光的？
要了解發光二極管的工作原理， 我們首先應該理解一個問題， 那就是為什么有些材料能夠導電， 而另外一些卻不行 。 一種材料能導電， 必須有足夠多的、能自由活動的電子 。 可是， 在原子和分子中， 電子總是呆在屬于自己的固定位置上；大部分材料的電子需要很大的能量才能掙脫束縛， 自由活動 。 這樣的能量一般情況下并不存在， 自然沒有自由活動的電子， 這些材料也就不能導電， 這就是通常所說的絕緣體 。 少數材料如金屬、鹽的水溶液等， 由于結構特殊， 有大量的電子可以自由活動， 這就是導體 。

還有一些材料則比較特別， 例如硅 。 在室溫下， 它們的電子和絕緣體類似， 只能呆在自己的位置上， 不像金屬的電子那樣能夠自由活動 。 但與大部分絕緣體不同的是， 硅中的電子不需要很高的能量就能脫離自己固有的位置， 于是硅的導電性能就高于一般的絕緣體 。 特別是溫度升高后， 這個能量變得更小， 于是這些電子就更容易自由活動 。 這種導電能力介于導體和絕緣體之間的材料， 我們稱之為半導體 。

不過在實際應用中， 讓硅導電并不需要加熱， 而是通過“摻雜” 。 也就是向硅中引入別的元素， 讓它們的原子占據硅原子本來的位置 。 那么摻雜是如何提高硅的導電能力的呢？
我們知道， 一個原子要想與另一個原子結合形成分子， 一般來說兩個原子需要各自拿出一個電子互相結合， 形成化學鍵 。 每個硅原子總共有14個電子， 但只有4個電子可以拿出來與別的原子結合， 這意味著硅原子在形成晶體時， 每個原子剛好可以與另外4個硅原子互相結合 。 如果硅中摻雜磷或砷， 這兩種元素都有5個電子可以和別的原子結合， 而周圍的硅原子卻只需要4個電子， 于是多出來的那個電子不受約束， 就可以在硅的晶體中隨意走動 。 如果摻雜的磷原子足夠多， 就會有大量的電子在硅的晶體中自由活動， 硅的導電性就隨之上升 。 像這樣通過摻雜產生自由電子的半導體， 我們稱之為N型半導體 。
如果向硅中摻雜的是硼或者鎵呢？這兩種元素都只能拿出3個電子， 可硅需要4個電子， 因此總會有某個硅原子得不到足夠的電子， 這就形成了一個空穴 。 要想把這個空穴填上， 唯一的辦法是“拆東墻補西墻”——從旁邊的硅原子那里搶一個電子過來 。 可空穴又在旁邊產生了， 這個新的空穴自然又會從旁邊的硅原子那里把電子挖過來——這樣不停地折騰， 相當于空穴在硅的晶體中不停地移動， 也相當于有電子在自由活動， 硅也因此變得可以導電 。 像這樣通過摻雜產生移動空穴的半導體， 我們稱之為P型半導體 。



如果讓一塊N型半導體和一塊P型半導體相接觸， 再把電源的正極與P型半導體相連， 負極與N型半導體相連， 構成一個完整的電路；那么N型半導體中存在的大量帶負電的自由電子， 會穿過P型半導體向電源正極移動 。 同樣， P型半導體中的帶正電的空穴會穿過N型半導體向電源負極移動 。 在這兩種半導體交界處， 電子和空穴相遇了 。
N型半導體中自由活動的電子處在能量相對較高的位置， 而P型半導體中空穴卻處在能量相對較低的位置；當它們相遇， 電子會占據空穴原來的位置， 這就好比足球從二樓落到了一樓， 多出了能量；而某些半導體材料多余的能量恰好可以以光的形式釋放出來， 于是， 一支發光二極管就誕生了 。

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