二極管（6）為什麼LED能發光，但是普通二極管不行

LED是被稱為"發光二極管"的半導體

名稱取自"Light Emitting Diode" 的首字母。1993年基于氮化镓制造出的高亮度藍色LED實作商用化，随之制造出白色LED，該白色LED作為第4照明光源備受注目。

發光二極管（英語：light-emitting diode，LED）是一種半導體光源，當電流通過它時會發光；即一種電緻發光的半導體電子器件，其内電子與電子空穴複合，以光子的形式釋放能量。

發光二極管結構的核心部分是p-n結，周邊部分有環氧樹脂密封其引線與架構以保護内部芯線。當p-n結通以正向電流時，能發射可見或非可見輻射，此輻射為透過三價與五價元素所組成複合光源。

發光二極管隻能夠往一個方向導通（通電），叫作正向偏置；當電流流過時，電子與空穴（電子空穴）在其内複合而發出單色光，這叫“電緻發光效應”；而光線的波長、顔色跟其所采用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。發光二極管具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。

發光二極管于1962年出現時，隻能發出低光度的紅光，被惠普買下專利後當作訓示燈利用。其後發展出其他單色光的版本，時至今日，能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外線，光度亦提高到相當高的程度。随着白光發光二極管的出現，用途已由初期的訓示燈及顯示闆等訓示用途，逐漸發展至近年的照明用途。白光LED的發光效率近期亦有所進步，其每千流明成本，因大量資金投入已使價格下降，近年在照明用途上愈趨普及。

LED是如何被發明出來的

LED（發光二極管）的發明是一個多階段的過程，涉及許多科學家的貢獻。以下是LED發明的一些關鍵曆史時刻：

1. 早期理論和實驗：

• 1907年：英國科學家H.J. Round首次觀察到半導體材料碳化矽（SiC）在通電時發光。這是第一次記錄到半導體材料的電緻發光現象。
• 1920年代：俄國科學家Oleg Losev進一步研究了這種現象，并在1927年發表了有關LED原理的論文，但當時并未引起廣泛關注。

實用LED的開發：

• 1962年：Nick Holonyak Jr.，當時在通用電氣（GE）工作的工程師，發明了第一個實用的可見光LED（紅光LED）。Holonyak被譽為“LED之父”。
• 1972年：M. George Craford，Holonyak的學生，發明了第一個黃色LED，并大大提高了紅色和橙色LED的亮度。他在氮化镓磷（GaAsP）材料的基礎上進行了改進，使LED的亮度提高了十倍。
• 1970年代和1980年代：不斷發展的技術使得更多顔色的LED問世，包括綠色、黃色和橙色LED。

藍光LED的突破：

• 1990年代：日立和Nichia公司的科學家，特别是Shuji Nakamura，發明了高亮度的藍光LED。這是使用氮化镓（GaN）材料的重大突破。藍光LED的發明使得全彩顯示器和白光LED成為可能。
• 2014年：Shuji Nakamura、Isamu Akasaki和Hiroshi Amano因在藍光LED方面的貢獻而獲得諾貝爾實體學獎。

白光LED的開發：

• 白光LED通常通過将藍光LED與熒光粉結合來實作。藍光LED發出的藍光激發熒光粉，熒光粉再發出黃色光，兩者結合産生白光。

LED技術的不斷進步不僅在可見光範圍内産生了多種顔色的LED，還擴充到紫外線和紅外線範圍。如今，LED在顯示器、照明、訓示燈和通信等多個領域都有廣泛應用。如果你對某個特定階段或科學家的工作有更多興趣，可以告訴我，我會為你提供更詳細的資訊。

2、為什麼LED能發光

發光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣，發光二極管由半導體晶片組成，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以産生p、n架構。與其它二極管一樣，發光二極管中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（陰極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當空穴和電子相遇而産生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量（光子也即是我們常稱呼的光）。

它所發射出的光的波長（顔色）是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由于矽和鍺是間接帶隙材料，在常溫下，這些材料内電子與空穴的複合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，而是把能量轉化為熱能，是以矽和鍺二極管不能發光（在極低溫的特定溫度下則會發光，必須在特殊角度下才可發現，而該發光的亮度不明顯）。發光二極管所用的材料都是直接帶隙型的，是以能量會以光子形式釋放，這些禁帶能量對應着近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

發展初期，采用砷化镓（GaAs）的發光二極管隻能發射出紅外線或紅光。随着材料科學的進步，新研發成功的發光二極管能夠發射出頻率越來越高的光波。現今，已可制成各種顔色的發光二極管。

二極管通常建構于N型襯底，在其表面沉積一層P型半導體，用電極連結在一起。P型襯底比較不常見，但也有被使用。很多商業發光二極管，特别是GaN/InGaN，也會使用藍寶石襯底。

大多數用來制成發光二極管的物質具有非常高的折射率。這意味着大部分光波會在物質與空氣的接口會被反射回物質，是以，光波萃取對于發光二極管是很重要的論題，大量研究與發展都聚焦于這論題。

LED（發光二極管）和普通二極管的主要差別在于它們的材料和結構，導緻它們在電能轉化為光能的效率上有顯著不同。以下是一些關鍵點解釋為什麼LED能發光，而普通二極管不能：

1. 材料不同：LED使用的是III-V族半導體材料，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）等。這些材料具有直接帶隙（direct bandgap），允許電子直接躍遷并釋放光子（光）。普通二極管通常使用矽或鍺，這些材料具有間接帶隙（indirect bandgap），電子的躍遷主要以釋放熱能的形式發生，而不是光。
2. 結構不同：LED的結構設計是為了優化光的生成和發射。LED通常在p-n結處加入特定的摻雜劑和層結構，以促進光子的産生和釋放。而普通二極管的設計是為了優化電流的整流功能，并不注重光的産生。
3. 能量帶隙：LED的材料具有較大的帶隙能量，這意味着電子在躍遷過程中釋放的能量足夠高，可以以光的形式顯現出來。普通二極管的材料帶隙能量較小，電子躍遷時主要以熱能形式釋放。
4. 發光機制：當LED的p-n結在正向偏置下，電子從n區移動到p區，與空穴複合，能量以光子的形式釋放，産生光。而在普通二極管中，電子和空穴的複合主要以非輻射複合的形式進行，即能量以熱的形式釋放。

這些差異使得LED可以在工作時發光，而普通二極管則不能。

3、如何提高LED的發光效率？

提高LED（發光二極管）發光效率的方法涉及多個方面，包括材料選擇、結構設計和制造技術。以下是一些主要政策：

1. 優化材料選擇

• 高效發光材料：使用高光效的半導體材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）。這些材料具有較大的帶隙，可以有效地将電能轉換為光能。
• 摻雜技術：通過摻雜特定的元素（如鋁、镓、氮）來調整材料的光學性能，進而提高LED的發光效率。

2. 改進結構設計

• 優化p-n結設計：通過改進p-n結的結構，優化電子和空穴的複合效率，進而提高發光效率。
• 光學設計：設計高效的光學結構，如光學透鏡和光學腔體，以減少光的損失并提高光的輸出。

3. 提高封裝技術

• 光學封裝：使用高透光率的封裝材料，如矽膠或環氧樹脂，以減少光在封裝過程中被吸收或散射。
• 反射層：在LED封裝中加入反射層，以反射未能有效發出的光，提高光的整體輸出。

4. 改進制造技術

• 降低缺陷密度：通過優化制造技術，減少晶體缺陷和材料雜質，進而提高LED的發光效率和穩定性。
• 提高量子效率：提高LED晶片的量子效率（QE），即電能轉化為光能的比例，減少非輻射複合。

5. 散熱管理

• 改進散熱設計：有效的散熱管理可以減少LED工作時的溫度，防止由于過熱而導緻的光衰減。使用高導熱材料和設計有效的散熱結構，如散熱片和冷卻風扇。

6. 調節電流和驅動方式

• 适當電流：控制電流，以避免過高電流引起的效率降低。采用恒流驅動可以保持LED在最佳工作狀态。
• 驅動電路優化：優化LED驅動電路的設計，提高電能的轉換效率，減少能量損耗。

7. 量子點和熒光粉技術

• 量子點技術：在LED中引入量子點，可以改善顔色純度和光效。
• 熒光粉塗層：對于白光LED，優化熒光粉的配方和塗布工藝，可以提高光效和顔色品質。

4、黃光LED

創新路上，永無止境，江風益從不敢停歇，從“跟”到“追”，再到“超”。2011年，他和團隊拓展了研究方向——LED高端裝備（MOCVD系統）的研制開發，并于2014年研制成功生産型MOCVD裝置（37片機和61片機），其中裝置的心髒——反應管實作了自主創新，用此裝置生産的矽襯底藍光LED，其電光轉換效率與采用進口裝置生産的藍寶石襯底藍光LED的國際先進水準持平；2016年，他和團隊用此裝置研發的黃光LED取得了曆史性突破，其電光轉換效率達到21.5%，遠高于國外公開報道或可查詢到的最高水準（9.63%），2019年他們将此光效提高到27.9%；2020年，他們所研制的微紅光LED光效國際領先。這些發明創造，使大陸LED技術在國際上處于“部分領跑”地位。