LED基础知识

为什么在照明基础里介绍LED呢？会不会觉得和‘照明基础’这样的主题不在一个量级的，毕竟它仅属于照明分支下的细分品类？小编我在这里解释一下，首先，‘照明基础’版块里计划推出照明的‘基本概念’和‘智能照明’两个主题，但在理解智能照明主题之前，如果不先介绍一下LED的基础性知识，可能不利于对下一讲‘智能照明’内容的理解，因为‘智能照明’所介绍的调光方式均是针对LED所做。其次，你稍微注意一下所工作的办公室灯具，回家途中看到的建筑物上的照明器具以及你家里天花上的照明产品就会发现几乎都是LED。记得诺贝尔委员会在给中村修二颁发2014年诺贝尔物理学奖时说的一句话“它将点亮21世纪”，就可以推测出未来世界照明的主角就是LED（P.S.中村大侠发明了基于 GaN 高亮度蓝色 LED，白光的主要呈现方式之一就是在蓝光LED基础上添加荧光粉产生的，其实绿光也是他发明的），所以就迫不及待地在这一讲聊聊LED。

第1问：说了这么多，那什么是LED？

答： LED是Light Emitting Diodes的首字母缩写，中文学名是发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。

第2问： 意思它是一种能将电能转化为可见光的半导体，那什么是半导体？

答：半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗等。

第3问：明白了，半导体原来是导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，那什么是导电性能？导体为什么会导电？绝缘体为什么不导电？

答：越是简单的问题越是难回答。比如说“我是谁？”这个问题就三个字，很多人回答不上来也不知道如何回答。所以要回答第3问的这个问题，需要先做一些铺垫，从微观物理层面来回顾一下物质的构成，并了解一下用来描绘这些微观世界运动的模型或工具，这样有助于理解原理。

大家都听过分子、原子、中子、质子等概念，如把一个青菜包不断拨离可以发现是由几个部分组成，有面、青菜、香菇或者还有一些调味品等，再继续拨离最后会发现这些物质是由分子构成。分子是物质中能够独立存在的相对稳定并保持该物质物理化学特性的最小单元。原子通过一定的作用力，以一定的次序和排列方式结合成了 分子。以水分子为例，将水不断分离下去，直至不破坏水的特性，这时出现的最小单元是由两个氢原子和一个氧原子构成的一个水分子（H2O）。一个水分子可用电解法或其他方法再分为两个氢原子和一个氧原子，但这时它的特性已和水完全不同了。通过下面的图片来简单认识一下：

      

正如上面提到的是，认识微观，需要有工具，因此采用近似的理论来进行描绘，才可能大概知道是怎么一回事。针对原子模型或原子论，历史上共有5种，前面三个不说了，提一下后面的2个，一个是玻尔原子模型，一个是电子云原子模型（薛定谔提出的）。来看一下电子云模型的图片便于直观了解：

而以电子沿特定轨道运转，分布在多个球壳中的绕核运动，不同的电子运转轨道是具有一定能级差的模型叫玻尔原子模型（又叫分层模型）。玻尔模型的量子化和能级的观点都是创新性的，但当时量子力学还没有建立，因此该模型依然会有一些传统的思维，比如轨道，而事实上电子的位置是不确定的，谈不上轨道的概念，而用电子云模型来描绘原子，量子描述又难以理解，所以现在一般仍然用玻尔模型来分析原子。

现在应该了解到构成分子的原子是由原子核以及核外电子构成，通过玻尔原子模型得知，这些绕着原子核运动的电子是有不同的轨道（跟太阳系似的），并且具有一定的能级差。再来看一个图片：

是不是很漂亮？这些不同颜色的核外电子可以理解成具有不同能级的电子。接下来还是需要来了解一下来描述固体内部电子运动的理论，---固体的能带理论。在理解之前再复习一下物理小知识。下图是磷（P）元素的原子结构模型，先记住这个P，后面半导体会提到他。

能层就是电子层，按照电子能量的高低和离核的远近将电子分为不同的电子层。也就是上图的K层、L层、M层，而同一层上电子的能量又各有差别，所以同层内的电子又分为不同的能级（又叫电子亚层）。这是单原子结构模型，但物质的构成是原子、分子的组合与排列形成的。比如说晶体（除液晶外，晶体一般是固体形态）的原子、分子或离子就是具有规律、周期性排列的特性，这样的物质就是晶体。意思就是大家队伍排的很整齐，很有规律，很好看，方方阵阵的。而当若干个原子相互靠近时，由于原子核的势场和电子彼此之间力的作用，原子原有能级发生分裂，由一条变成多条，就组成一条众多能级间隔很小，故可近似看成连续能量带，这就是能带。因为晶体中，各个原子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，电子不在局限在某一个原子中，可以由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有化运动，这就使孤立原子的单一能级分裂形成能带。意思是大家身高、体重差不多，咱组成一队吧，人多力量大嘛。总而言之：固体的能带形成是通过原子之间的相互作用实现的。

能带相信应该有一点概念了，接下来再了解一下什么是价带、禁带和导带。不要晕，很容易明白。根据电子先填充低能级的的原理，下面的能带先填满电子，这个带被称为价带或满带。上面的未被电子填满的能带或空能带称为导带，中间以禁带相隔。上图看一下：

就好比有多个方阵，每个方阵之间的间隔类似于禁带，而最下方靠近原子核的低能极能带会首先被电子充满，这样的能带叫价带，价带中的电子受原子核的束缚较大。而最上方的离原子核远，能级高，这样的方阵叫导带，导带中的电子在外加电场、温升等条件下易挣脱原子核的束缚成为自由电子。再上一张图，分别看一下导体、半导体、绝缘体三种带。

通过上图可以直观地了解到，绝缘体价带中的电子很难穿过禁带跃迁到导带并成为自由电子进行定向移动形成电流（不是绝对的），故而常态下，绝缘体是不具有导电性。而导体中的电子就不存在这样的问题。到这里基本上粗略地回答了导体为什么会导电，绝缘体为什么不导电的问题了。

不同物体的原子核束缚电子的本领不同，而半导体指的是它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。如硅（Si）、锗（Ge）等。另外说一句，半导体的发现是非常了不起的发明，人类科技与文明之所以能够如此快速地发展是得益于半导体的发明。

第4问：LED是如何实现发光的？

答：这个问题回答起来也不轻松，容我娓娓道来。要回答这个问题需要先来了解一下什么是P型半导体和N型半导体，接着认识一下PN结，最后讲一下PN结的工作原理，PN结是半导体二极管的核心所在。这样基本上就会明白LED是如何实现发光的了。在介绍P型/N型半导体之前，还是再来做一些铺垫，介绍几个概念性的东西，然后再讲解过程，否则可能会出现字都认识，但意思还是不太明白的情形。

1、化学键：指组成物质的最小微粒间的相互作用力或者使离子相结合或原子相结合的作用力叫化学键。意思就是说‘ 键 ’它是一种力，就想象成各种微粒之间存在吸引力，彼此合适、对眼、有性格、你强我弱的就你拉我我霸占你，类似变形金刚一样的组合在一起。好比上面提到的水分子是由两个氢原子和一个氧原子通过这种‘键’构成一个水分子（H2O）。而化学键也有强弱之分，强的化学键有离子键、共价键和金属键。离子键发生在两个原子间之电负性相差极大并要结合成分子时，电负性大的会从电负性小的抢走电子，以符合八隅体的稳定结构，一般发生在金属与非金属原子之间，形成离子化合物。而共价键则是两个电负性相近的原子，互相共享其外围电子以符合八隅体的键结方式，意思是通过共用电子对形成八隅体的稳定结构，形成共价化合物，这是非金属元素间的结合方式。而下面的介绍主要涉及的是共价键。

2、八隅体：原子最外层电子数为8时，达到相对稳定结构，称为八隅体。若不满8个时会与其他原子互相共享彼此电子达到平衡。自然界一个普遍的规律是"能量越低越稳定"，好比跑步的时候心跳血压各方面都上来了，但静止后，慢慢就回到了平缓的状态，又好比陀螺，旋转的时候很快，但会渐渐趋于静止，意思是物质微观处于运动状态，在外在作用下，如外力、温升、电场、化学反应，物质状态发生变化，断开后，会渐渐趋于稳定的倾向性，这可以简单的理解为稳定的状态。再比如一杯热水，温升可至沸腾，之后渐渐冷却趋于稳定。两个青年人，躁动，结婚后渐渐变得稳定了。原子结合成分子时，电负性大的吸收其他电负性小的电子形成离子化合物成为稳定的状态。电负性相近的原子通过轨道重叠、共享的方式获得稳定状态所需要的电子数从而达到一种稳定的状态，这就是上一个定义化学键中提到的共价化合物。

3、电负性：是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。又称为相对电负性，简称电负性，也叫电负度。电负性综合考虑了电离能和电子亲合能。电负性的概念，用来表示两个不同原子间形成化学键时吸引电子能力的相对强弱，是元素的原子在分子中吸引共用电子的能力。元素周期表中以希腊字母χ为电负性的符号。

4、元素：具有相同核电荷数（核内质子数）的同一类原子的总称。上面提到原子是化学反应中能被分解的最小微粒，分子是由原子构成，原子分为原子核及核外电子，原子核内有质子和中心，质子数相同的原子归为一类，成为特定元素。

5、电流：是价电子挣脱原子核的束缚在外加作用场的情况下作定向的流动。

6、价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。主族元素的价电子就是主族元素原子的最外层电子；还记得上面有一个磷（P）的原子结构图吗？共有3级能层，最外层也就是M层的电子数是5，因此该原子的价电子就是5，因此我们也称之为5价元素。

7、离子：若原子失去一个电子，称这个原子为正离子。若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。

8、电离能：电离能是基态的气态原子失去电子变为气态阳离子(即电离)，必须克服核电荷对电子的引力而所需要的能量。电离能可以定量的比较气态原子失去电子的难易，电离能越大，原子越难失去电子，其金属性越弱；反之金属性越强。

9、杂质：半导体中的杂质指的是半导体内部的除半导体本身原子意外的其他原子。

10、施主和受主：只要不是本征半导体就是含有杂质的半导体，而杂质原子对半导体本身原子的电子的作用就可以区分施主和受主。发光二极管是通过不同的掺杂从而形成两种不同性质的半导体（P型/N型），再通过特定工艺把两者结合起来。半导体内部如果有杂质原子的最外层电子数少于4，那它核内正电子容易吸引外界的一个电子进入最外电子层并形成饱和状态，这个杂质原子因为得到电子因此被叫做受主；反之最外层有5个电子，则杂质原子容易失去一个电子成为自由电子，这个杂质原子就叫施主。

11、本征半导体：绝对纯的且没有缺陷的半导体。比如硅，那就是纯硅，不含杂质，原子在晶格中规则排列，非常纯的血统，无奈好看不好用。

接下来我们进入正题，介绍两种半导体：

（1）N型半导体和P型半导体

在本征半导体硅中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子不在价键上，在共价键之外，游离于晶格之间，成为自由电子，失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子，这里没有产生相应的空穴。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。

在本征半导体硅中掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子，而电子则成为少数载流子，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

来看一张图片：

上图中，Si代表硅，P代表磷，可以看出Si是4价元素，而P是5价元素，自由电子主要由施主杂质原子提供。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强，空穴是由热激发形成。看到这里可能会有一些疑问，比如说：这掺入的杂质原子，比如磷原子是如何代替了硅原子的？然后原来的硅原子呢？怎么磷原子用了4个电子与相邻硅原子的电子组成共价键，那多余的1个电子就走了吗？原子核对它没吸引吗？

其实硅原子是被挤到旁边去了，如果杂志原子多了，就会破坏原有的晶格结构，并且由于它们的电负性差异不足以形成离子化合物，所以只好共用电子对了。这可以参考上面的化学键的定义。而多余的1个电子只受到磷原子对它微弱的束缚，在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子。

（2）PN结

PN结是半导体发光二级管的核心，PN结是上述两种半导体通过特定工艺结合后产生的交界层，可以说是所有实用半导体器件的核心所在。介绍之前需要了解内部的两种运动（即漂移和扩散运动）以及因此而产生的内电场（又叫空间电荷区）。

扩散：掺入部分的载流子密度比其它部分高，载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移，这种现象叫做载流子的扩散运动。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。

漂移：是由于内电场的电势差而引起少数载流子的运动。少数载流子漂移正是因为多数载流子扩散运动产生的内电场而引起，最终两者达到动态平衡。

空间电荷区：在N型和P型半导体的交界面处存在有电子和空穴浓度梯度，N区中的电子就向P区渗透扩散，扩散的结果是N型区域中邻近P型区域一边的薄层内有一部分电子扩散到P型中去了。由于这个薄层失去了一些电子，在N区就形成带正电荷的区域。同样，P型区域中邻近N型区域一边的薄层内有一部分空穴扩散到N型区域一边去了。由于这个薄层失去了一些空穴，在P区就形成了带负电荷的区域。这样在N型区和P型区交界面的两侧形成了带正，负电荷的区域，叫做空间电荷区。

空间电荷区中的正负电荷间形成电场。电场的方向是由N型区域指向P型区域，这个由于载流子浓度不均匀而引起扩散运动后形成的电场称为自建电场。载流子在内电场作用下，会产生漂移运动。自建内电场将N区向P区扩散的电子接回到N区，把P区向N区扩散的空穴接回到P区，由此可见，在空间电荷区内，自建电场引起电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向正好相反。

空间电荷区也叫阻挡层，也称耗尽层，就是我们通常所说的PN结。当PN结加正向电压时， 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。当PN结加反向电压时，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。参考如下两幅图例：

         

至于二极管会发光是通过电场驱动电子跃迁到高能态，而电子在能级间跃迁复合从而释放光子。通俗些的说法是跃迁的携带更高能量的电子通过与价带或满带中的空穴复合后释放多余能量的一种体现。LED发光就大致聊完了，总的来说，半导体内，电流是自由电子的定向移动形成的，发光是电子与空穴复合时多余能量的一种释放形式。空穴其实也不是一种实际的粒子，是便于电子运动的等效计算。价键中的电子受外力吸收能量离开价键后形成的一个空位称之为空穴，当空位又被其他电子填补，依此定向运动，就好比空穴在做同样的方向相反的定向移动。而空穴导电时，电子运动发生在价带，电子导电时，电子运动发生在导带。

半导体原子核对导带电子的束缚力小于价带电子，原子核对不同能层的束缚力不同，电子优先填满价带，自由电子是外层价电子吸收了能量挣脱原子核的束缚，硅是4价元素，掺杂的原子，如磷（5价），硼（3价），其电负性相近，通过共价键的形式结合，5价多一个电子，所受束缚小，易挣脱形成自由电子，此时离子显正电，P区硼原子得到电子显负电，这也是自建内场的由来。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。意思就是说外来能量带与原有的交织在一起了，原先的禁带夹带了杂质能级。可能有人会疑问，为什么磷原子的电子电离的同一时间只有一个电子不是两个呢？常态下没有参与共价键的多余的一个电子即可挣脱成为自由电子，而如果要激发也是先激发硅原子的电子，因为硅的电离能要小于磷的。半导体微观很难懂，有兴趣的可以读一读《半导体理论》和《固体理论》。