為什么一塊小小的半導(dǎo)體芯片通電后就能發(fā)出耀眼的光芒？關(guān)鍵在于PN結(jié)這個(gè)神奇的結(jié)構(gòu)完成了電能到光能的魔法轉(zhuǎn)換。
PN結(jié)：發(fā)光二極管的”心臟”
半導(dǎo)體材料的特殊結(jié)構(gòu)
LED核心由P型與N型半導(dǎo)體緊密結(jié)合構(gòu)成。P區(qū)富含帶正電的空穴，N區(qū)則聚集帶負(fù)電的電子，交界處形成電荷壁壘。
當(dāng)施加正向電壓時(shí)，外電場(chǎng)抵消內(nèi)部勢(shì)壘，引發(fā)載流子定向移動(dòng)。電子從N區(qū)跨越邊界涌入P區(qū)，形成單向?qū)ㄌ匦浴?/p>
能帶理論的關(guān)鍵作用
半導(dǎo)體中存在價(jià)帶與導(dǎo)帶的能級(jí)差異。常態(tài)下電子處于低能態(tài)，獲得能量后可躍遷至高能級(jí)導(dǎo)帶，留下空穴。
載流子運(yùn)動(dòng)特征：
– 電子：從負(fù)極向正極移動(dòng)
– 空穴：等效正向移動(dòng)
– 交界區(qū)：載流子濃度劇增
光子誕生的奇妙瞬間
電子-空穴復(fù)合反應(yīng)
當(dāng)注入的電子與空穴在PN結(jié)附近相遇，高能態(tài)電子會(huì)”跌落”到空穴所在的低能態(tài)。這個(gè)能量躍遷過(guò)程遵循能量守恒定律。
釋放的能量并非轉(zhuǎn)化為熱量，而是以光子形式輻射。其波長(zhǎng)滿足公式：λ=1240/Eg (nm)，其中Eg為半導(dǎo)體禁帶寬度（來(lái)源：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ), 2023）。
可見(jiàn)光的生成密碼
光子是否可見(jiàn)取決于其波長(zhǎng)：
| 材料特性 | 發(fā)光效果 |
|———-|———-|
| 寬禁帶材料 | 藍(lán)/紫光 |
| 窄禁帶材料 | 紅光 |
| 復(fù)合型結(jié)構(gòu) | 白光 |
通過(guò)精確控制半導(dǎo)體材料的能帶隙，工程師可定制所需光色。GaAs材料發(fā)紅光，GaN材料則產(chǎn)生藍(lán)光。
光效提升的核心技術(shù)
減少能量損耗的工藝
理想狀態(tài)下所有復(fù)合都應(yīng)產(chǎn)生光子，但實(shí)際存在非輻射復(fù)合現(xiàn)象。通過(guò)以下措施提升光效：
– 采用直接帶隙材料（如GaAs）
– 降低晶體缺陷密度
– 優(yōu)化PN結(jié)界面結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代LED的電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%以上（來(lái)源：國(guó)際光電工程學(xué)會(huì), 2022），遠(yuǎn)超白熾燈的5%，這正是PN結(jié)高效發(fā)光的有力證明。
封裝技術(shù)的協(xié)同作用
芯片產(chǎn)生的光線需高效導(dǎo)出：
– 環(huán)氧樹(shù)脂透鏡控制光路
– 反射杯結(jié)構(gòu)減少光損失
– 熒光粉涂層實(shí)現(xiàn)白光轉(zhuǎn)換
