发光二极管

发光二极管（LED）是当电流顺向流动时发光的半导体器件。 在相反的方向上，LED 会阻断电流。 因此，LED 的电气特性与二极管的电气特性相对应。 发射光的波长取决于半导体材料和二极管的掺杂：光可以是人眼可见的，也可以在红外线或紫外线辐射范围内。

许多发光二极管n的半导体晶体被焊接到金属支架中锥形凹陷的底部。 凹陷的内侧充当从晶体侧面发出的光的反射器。 焊点形成晶体的两个电连接之一。 同时，它吸收了因半导体晶体仅将部分电输出转换为光而产生的废热。 在有线发光二极管n的情况下，带有反射器的支架设计为具有矩形横截面的电线，用作电连接。 与其他电子元件不同，连接不是由铜制成，而是用镀锡铁线制成。 铁的导热系数相对较低。 因此，当将元件焊接到印刷电路板上时，半导体晶体不会因过热而损坏。

晶体的顶部仅通过非常细的键合线与第二端子电连接，因此引线只覆盖了很少的发光表面。

阴极 (-) 在外壳底座的凸缘上标有一个平面。 在全新的发光二极管n的情况下，阴极连接也更短。 经验法则：阴极 = 短 = 边缘。 在大多数发光二极管中，反射器是阴极。 在极少数情况下，结构是相反的。 关于电路符号，规则适用于电流的技术方向由阳极（+）通过其形状形成的箭头“指示”。

高功率发光二极管 (H-LED) 在大于 20 毫安 (mA) 的电流下工作。 对散热有特殊要求，以特殊设计表示。 热量可以通过电源线、反射器槽或通过结合到身体中的热导体来消散。 大多数 1 瓦以上的 H-LED 都可以安装在散热器上。 对于 LED（与白炽灯不同），高温会导致效率降低，预期使用寿命也会缩短。

另一种可能是将发光二极管n芯片直接打线在电路板上（chip on board-COB），然后用硅胶封装。 在专卖店，这些灯被称为“COB-LED”。

多色发光二极管由一个外壳中的几个 (2-4) 二极管组成。 它们通常有一个共同的阳极或阴极，并且每种颜色都有一个连接。 在双端口版本中，两个发光二极管芯片反并联连接。 根据极性，一个或另一个二极管会亮起。 准连续的颜色变化可以通过合适的交流电的可变脉冲宽度比来实现。

发光二极管的基本结构对应于pn半导体二极管； 发光二极管n因此具有相同的基本性质。 一个很大的区别在于所使用的半导体材料。虽然不发光的二极管由硅制成，很少有锗或硒制成，但发光二极管n的起始材料是直接半导体，通常是镓化合物作为III-V族化合物半导体.

如果对半导体二极管施加正向偏置电压，电子会从掺杂侧迁移到 p-n 结。 在过渡到 p 掺杂侧之后，电子然后过渡到能量上更有利的价带。 这种跃迁称为复合，因为它也可以解释为导带中的电子与缺陷电子（空穴）相遇。 复合期间释放的能量通常在直接半导体中作为光（光子）直接发射。

除了直接辐射复合外，激子和声子的参与也是可能的，导致能量略低的辐射（发射光的颜色s 变为红色）。 这种机制在绿色磷化镓发光二极管的激子发射中起着特别的作用。

不直接计入发光二极管但基于类似作用原理的特殊变体是激光二极管、谐振腔发光二极管（RCLED 或 RC-LED）和有机发光二极管 (OLED)。

半导体的能带结构决定了电子从导带跃迁到价带以及从价带跃迁过程中的能量转移行为。 右图中显示了两个简化的能带结构图。 导带和价带的过程是根据波矢 k → {displaystyle {vec {k}}} 绘制的，显然与表征必要动量转移的倒易空间坐标相当。 显示了半导体或带跃迁的两种基本形式：左侧是直接半导体的辐射跃迁，右侧是间接半导体的跃迁。

在硅等间接半导体的情况下，电子从导带最小值到价带xxx值的变化需要额外的动量转移 k → {displaystyle {vec {k}}} 以确保动量守恒。 脉冲传输发生在通过声子的发射或吸收（晶格振动）。 额外的准粒子必须参与跃迁的条件降低了它的概率。 因此间接半导体不适合作为发光二极管。 非辐射跃迁，例如通过缺陷进行的重组（肖克利-里德-霍尔重组）占主导地位。 因此，例如普通的整流二极管不会点亮。

相反，直接半导体的特征是“直接带跃迁”，这意味着导带底部（导带最小值）和价带顶部（价带xxx值）的电子具有相同的动量. 因此，电子与光子（光）的发射直接跃迁是可能的，而不必为了动量守恒而涉及声子。 直接半导体砷化镓的量子产率在0.5左右，而间接半导体硅的量子产率只有1·10左右。

发射光子的能量等于带隙的能量，即导带和价带之间的能量距离。

带隙的大小，即能隙 E ″ − E ′  ，决定了能量，即发射光的频率、波长或颜色。 它可以通过半导体的化学成分来控制。 晶格中原子的交换改变了材料的晶体/分子结构，例如 它的晶格参数甚至它的晶格结构。 例如，半导体砷化镓具有 1.4 eV 的直接带隙，对应于 885 nm 的波长，即在近红外范围内。 磷的添加加宽了带隙，使发射光更具能量，波长减小，颜色从红外线过渡到红色和黄色。 然而，晶体中磷的增加也会使导带变形。 如果磷取代了 50% 的砷原子，则带隙几乎为两个电子伏特，对应于 650 nm（红色）的辐射，但能带结构发生了变化，因此不再观察到直接辐射跃迁。 带隙的能量也反映在二极管正向电压的大小上，如右图所示。 长波光约为 1.5 V，蓝光约为 3 V，而硅二极管的值较低，约为 0.6 V。

发光二极管的颜色本质上取决于所使用的半导体材料的带隙。 带隙可以在生产过程中通过半导体的成分在一定限度内变化。