念念不忘，必有回响，半导体都遇到爱情啦！你呐？
又是阳光明媚的一天，在湛蓝的天空之下，温暖的春风悄悄抚摸着这一个微小又复杂的芯片。这片芯片就像一座大都市，以硅为主要成分的半导体们在这里安居乐业，共同沐浴着春天的气息，享受着这片大都市的繁荣。
而今天，这个大都市的民政局中来了一对情侣。其中一位身披硼衣，脚踏由空穴组成的洞洞鞋；另一位则身穿沾满磷片的连衣裙，脚踩着迷幻般的电子云。
民政局的窗台上，一位工作热源正热情地招呼着他们，微笑着问道：“你们是来办结婚证的吗？”
那位身披硼衣的微微点了点头，回答道：“是的。我是参杂了硼的P型半导体，叫做小硼；她是参杂了磷的N型半导体，名字是晓磷。我们打算在今日结婚，正式成为一对PN结，从此永不分离，共同为芯片的二极管事业而奋斗！”
工作热源听罢，便温和地对他们说：“麻烦先拿个号吧~里面请。”
回想在两个小时前那炽热的火炉中，晓磷正在衬底上忙碌地工作。这时，从氮化硼与硅的界面上扩散出来的小硼走了过来。当晓磷的手和小硼牵上时，她就感觉对方的空穴朝着自己的身体慢慢流了过来，而自己的电子也不由自主地向着对方流去，这仿佛是产生了爱的电流。从这一刻起，他和她都已经知道，他们命中注定了一辈子不分离。
为什么小硼和晓磷会这么有缘分呢？这还要从他们的前身——半导体的身世说起。
01
材料三兄弟，谁是半导体？
在材料物理的世界中，有这三兄弟：
大哥求贤若渴，广纳电流。他可以三顾电庐，联结器件，只为利用自己体内流动的电子，在器件的两端光复电势，让从电源流出的电流还于旧都。正是因为大哥仁慈、宽广的胸怀，人们常常将他做成导线、线圈，并称之为导体。
二哥义薄云天，有勇有谋。他能导能阻，并不固守于欧姆定律，其电阻可以随外界环境的各项参数而改变。但是在接受了少量杂质的感染之后，他就会对这种杂质重情重义，并且它的性能会因此发生很大的改变。二哥的人品实在太好了，以至于人们将他奉为“材圣”，并把他安放在许多重要的场合，如逻辑IC、储存器，甚至是芯片当中。没错，二哥的名字就是半导体。
三弟生性莽撞，直截了当。无论在两端加上多大的电势差，他都会打打杀杀，抗争到底。无论外界环境是高温还是低温，晴天还是雨天，他都不会允许任何一丝电流穿过他的身体。三弟就是我们日常生活中插头外壳和电线外套等需要用到的绝缘体。
02
你在炒CP，半导体在炒NP
半导体一般有着上下两个能带，上面的叫做导带(一般标记为C)，下面的叫做价带(一般标记为V)。在绝对零度的时候，价带中充满着电子，而导带中则没有电子。随着温度升高，一小部分价带中的电子(n)就会激发到导带；而电子激发出去后在价带留下的空位，叫做空穴(p)。半导体理论中不能炒CP，因为导带中并没有空穴这个概念。
如果你不在半导体中加上任何东西，那么这块半导体就是一块本征半导体。这时，电子和空穴的数量相等。
但是，如果你在半导体中加入一些VA族元素(比如说磷,P)，那么由于这种杂质原子比硅(Si)这些IV族元素的原子多一个核外电子，因此磷原子在和周围的硅原子牵手后，会多出一个电子。这个电子就会成为半导体中的自由电子，这使得半导体的导电性能大大增加。这种半导体，就是n型半导体。在能带上看，导带下面一点的位置会多出一个带有电子的能带，电子从这个能带中可以更轻易地跃迁到导带。
而如果你在半导体中加入一些IIIA族元素(比如说硼,B)，那么由于这种杂质原子比硅(Si)这些IV族元素的原子少一个核外电子，因此硼原子在和周围的硅原子牵手时，会有一个手牵不上，那只牵不上的手就是一个空穴。这个空穴出现后，周围就会有一个电子补进这个空穴，而这个电子原来的位置又会变成一个空穴。这个过程连续下来，就形成了一个会流动的空穴，这也使得半导体的导电性大大增加。这种半导体，就是p型半导体。在能带上看，价带上面一点的位置会多出一个空荡荡的能带，价带的一些电子会跑到这个能带上，从而在价带中留下空穴。
左图为n型半导体，右图为p型半导体
03
NP结合，就是最强CP
如果一块n型半导体和一块p型相互接触，会变成什么呢？
首先，n型半导体中的电子会向p型半导体涌来，p型半导体中的空穴也会向n型半导体跑去。那一刻，他们之间形成了强大的电流，让他们难分难舍，形影不离。这，就是n、p之间的热恋期。
后来，两块半导体的情绪都稳定了下来。他们相互接触的那个位置上，流动的电子和空穴都被电场扫了出去，只剩下固定的正电荷和负电荷。这个接触的位置，就是空间电荷区。而两块半导体连接的整整一块区域，就叫做pn结。
NP双方互有差异，但是接触后他们会互相迁就，让彼此的费米能级(上图(3)中的虚线)相互平等。因此，pn结中的能带会弯曲。
正是这个弯曲，让pn结具有单向导电性。当加上正向电压后，能到弯曲度减小，电子和空穴又可以重新移动，这时pn结处于导通的状态；而加上反向电压时，能带弯曲加大，使得电子和空穴都被阻挡在了弯曲处的两边，彼此不相往来，这时pn结处于截止的状态。能屈能伸，令行禁止，这正是这对最强CP的魅力所在。
pn结电流随两端电压的变化曲线
你还可以导通的pn结记作“1”，将截止的pn结记作“0”；而世界中纷杂的数据，不就是由许许多多的“1”和“0”所组成的吗？存储数据的芯片，其实本质上就是由一个个pn结所组成的。无论是五彩斑斓的图片，还是绘声绘色的视频；无论是娓娓动人的电影，还是火光四溅的手游；无论是变化多端的图像，还是九曲十八弯的算法。它们本质上，就是芯片中的一对对pn情侣造就的虚拟世界，是无数个半导体CP爱情的美好印证。
小编寄语：总有人会让你知道，你原来可以如此勇敢，而这个人可能就在你身边一直等着你发现，推倒那堵墙，你就建立起了属于自己的pn结！加油！！
来源：科普并不巨
编辑：just_iu
LED原理的半导体器件，价带和导带对于能量释放的作用
文/万物知识局
编辑/万物知识局
一、LED原理及结构
LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种半导体器件 ，具有将电能转换为光能的特性。自20世纪60年代发现以来，LED技术在照明领域取得了革命性的进展，并成为一种高效、节能、环保的照明光源。本章将介绍LED的基本原理和结构，为深入了解LED的发光机制和特性打下基础。
LED的发光原理基于半导体材料的能带理论。在固体材料中，原子和分子通过化学键形成晶体结构，形成一系列能级。这些能级可以分为价带和导带，价带中的电子和导带中的空穴之间的跃迁产生能量释放，即发光现象。
LED通常由一种P型半导体和一种N型半导体构成。P型半导体中掺杂有多余的正电荷，称为空穴，N型半导体中掺杂有多余的负电荷，称为电子。当P型和N型半导体连接在一起时，形成PN结。在PN结区域，空穴和电子发生复合，导致能量释放，产生光子。这个过程称为电致发光 ，是LED发光的基本原理。
LED的基本结构主要包括以下组成部分：发光层是LED的关键部分，位于PN结的连接处。它由多种半导体材料构成，通常是由III族元素（如氮、磷、砷等）和V族元素（如镓、砷、硒等）的化合物形成。这些材料的组合决定了LED的发光波长和颜色。LED芯片是整个LED器件的核心，通常是一个微小的晶体片。芯片上是发光层和连接电极 。根据需要，多个芯片可以组合成不同形状和功率的LED器件。
LED芯片需要进行封装，以保护其免受外部环境的影响，并方便安装和连接。封装通常使用透明的树脂或塑料材料，使光线可以从封装的顶部透出。
LED器件上通常有两个电极，用于连接LED芯片的P型和N型区域。电流从一个电极流过LED芯片，然后从另一个电极返回，形成一个闭合回路。当电流通过LED芯片时，就会产生发光现象。总体来说，LED的结构简单且紧凑，这使得它非常适合各种照明应用。在理解了LED的原理和结构后，我们可以更深入地探讨LED的发光特性和在照明领域的应用。
二、LED发光机制
LED（Light Emitting Diode）的发光机制是基于半导体材料的电致发光原理 。在LED器件中，当电流通过PN结（由P型和N型半导体构成）时，电子和空穴在结合区域发生复合，释放能量并产生光子，从而实现发光。以下是LED发光机制的详细解释：
半导体材料的能带结构是LED发光机制的关键基础。在晶体中，原子和分子形成一系列能级，通常分为价带和导带 。价带是最高填充能级，包含电子，而导带是最低空置能级，可以容纳电子的状态。带隙是价带和导带之间的能量差，它决定了半导体材料的导电性质和光电性质。
LED器件通常由P型半导体和N型半导体组成。在P型区域，材料掺入少量三价杂质，形成空穴（正电荷）。在N型区域，材料掺入少量五价杂质，形成自由电子（负电荷）。当P型和N型半导体连接在一起时，形成P-N结。P-N结的连接形成一个电子流和空穴流 的区域，称为耗尽区。
当LED器件中施加正向电压时，电子从N型区域流入P型区域，同时空穴从P型区域流入N型区域。在P-N结区域，电子与空穴发生复合，因为电子会填补空穴的空位。在复合过程中，电子从导带跃迁回价带，释放出能量。这些能量以光子的形式辐射出去，产生可见光。
LED发光的光子能量和波长由所使用的半导体材料的能带结构决定。不同的材料组合和材料的能带隙导致不同波长的光发射。例如，氮化镓（GaN）是一种常见的LED材料，它通常用于制造蓝色或绿色LED，其能带结构使其产生可见光。
LED发光的颜色可以通过控制材料的成分和结构来调整。色温是用于描述光源颜色 的参数，单位为开尔文（K）。较低的色温（约2700K-3500K）会产生温暖的黄色光，类似于传统的白炽灯。较高的色温（约5000K-6500K）会产生冷白色光，类似于自然日光。显色指数（CRI）是评估光源还原物体颜色的能力，CRI值越高，光源对物体颜色的还原越真实。
总体来说，LED的发光机制是一种高效的电致发光过程，通过精心设计半导体材料的能带结构，可以实现产生各种颜色和光谱的光线，使LED成为照明领域中的重要技术。
三、LED发光特性
LED（Light Emitting Diode）是一种半导体器件，具有许多独特的发光特性。理解LED的发光特性对于应用和优化LED照明系统至关重要。以下是LED的主要发光特性：高效能：LED是一种高效能的光源，能够将电能转化为光能的效率较高。相对于传统的白炽灯和荧光灯，LED的发光效率更高，能够节约能源和减少能源消耗。
长寿命：LED具有长寿命的特点，通常可以达到几万小时以上的使用寿命。LED的寿命远远超过传统光源，这意味着在照明应用中减少了更换灯泡的频率和维护成本。快速响应：LED具有快速响应的特性，可以在微秒甚至纳秒的时间尺度内快速开启和关闭 。这使得LED非常适合需要快速切换和调光的应用。
色温可调：通过控制LED的材料组成和电流输入，可以调节LED的色温。LED能够产生多种不同颜色的光，包括暖白光、冷白光以及彩色光，满足不同照明需求。无紫外和红外辐射：LED的发光主要在可见光范围内，几乎没有 紫外和红外辐射。这使得LED在某些应用中更加安全，例如用于照明和照明展示的场合。
高色彩还原性：LED的色彩还原指数（CRI）通常较高，接近自然光 。这意味着LED能够准确还原物体的颜色，使其在照明应用中更加真实和自然。瞬时启动：LED可以在瞬间启动，无需预热时间。这使得LED在需要即时照明的场合非常方便，例如安全灯和紧急照明。
可调光性：LED可以通过调整电流或脉宽调制（PWM）实现可调光性。这使得LED可以根据需要进行亮度调节，提供不同的照明场景和氛围。综上所述，LED具有高效能、长寿命、快速响应、可调色温、无紫外和红外辐射、高色彩还原性、瞬时启动和可调光性 等独特的发光特性。这些特点使得LED成为现代照明领域的主要选择，并在各种应用中得到广泛应用，包括家庭照明、商业照明、汽车照明、室内外照明以及特殊场合的照明和显示等。
四、LED照明技术的发展历程
LED（Light Emitting Diode）照明技术的发展历程可以追溯到20世纪60年代，经历了多个阶段的演进和改进。以下是LED照明技术的主要发展历程：
LED最早在1962年由Nick Holonyak Jr.在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校发明。最初的LED只能发出红色光，并且效率较低，应用受到限制。在接下来的几十年中，研究人员不断改进半导体材料和结构，探索新的发光颜色。在1980年代，研究人员取得了高亮度LED的重要突破。通过改进半导体材料、发光层结构和制造工艺，LED的发光效率显著提高。蓝色和绿色LED的出现为多彩LED显示和白光LED的实现奠定了基础。
实现白光LED是LED照明技术的一大里程碑。早期的白光LED是通过蓝光LED加上黄色荧光粉混合实现的，但光效较低。后来，研究人员采用氮化镓（GaN）和镓磷化铝（AlInGaP）等新型半导体材料，成功实现了高效率的白光LED。在21世纪初，研究人员成功开发了高功率LED技术。高功率LED具有更高的光输出和更好的热散发性能，使得LED在照明领域的应用范围进一步扩展。高功率LED的出现使得LED照明逐渐可以替代传统光源，如白炽灯和荧光灯。
进入2010年代，LED照明技术进一步成熟，LED灯具的性能不断提升，价格逐渐降低。这使得LED照明成为主流选择，被广泛应用于家庭照明、商业照明、路灯、汽车照明、室内外照明等领域。随着智能技术的发展，LED照明逐渐智能化。
智能照明系统可以实现远程控制、调光调色、自动感应 等功能，提供更加个性化和节能的照明体验。同时，研究人员继续改进LED的发光结构和材料，探索新的光学设计和散热技术，进一步提高LED的光效和可靠性。
总的来说，从早期单一颜色的低亮度LED到现代高亮度、高功率、白光LED的普及应用，LED照明技术经历了持续的创新与发展。随着科技的进步和不断优化，LED照明将在未来继续发挥重要作用，为人们提供更加高效、节能、环保的照明解决方案。
五、LED照明的优势与应用
高效节能：LED照明具有高光电转换效率，能够将电能转化为光能 的效率较高，相对传统白炽灯节能约80%以上，相对荧光灯节能约50%以上。LED的高效节能特性使其成为绿色照明的首选。长寿命：LED具有长寿命，通常可达数万小时以上，远远超过传统照明产品。这意味着在照明应用中减少了更换灯泡的频率和维护成本，降低了使用成本。
快速启动和调光：LED可以在瞬间启动，无需预热时间，而且可以通过调整电流实现可调光性。这使得LED在需要即时照明和调节亮度的场合非常方便，如舞台照明和室内照明。色温可调：LED照明可以通过控制LED的材料组成和电流输入，实现不同色温的光线。因此，LED能够提供暖白光和冷白光，满足不同场合的照明需求。
瞬时响应：LED具有快速响应的特性，可以在微秒甚至纳秒的时间尺度内快速开启和关闭。这使得LED非常适合需要快速切换的应用，如通信和传输领域 。低辐射和环保：LED的发光主要在可见光范围内，几乎没有紫外和红外辐射。此外，LED不含汞等有毒物质，对环境更加友好。
色彩还原性好：LED的色彩还原指数（CRI）通常较高，接近自然光，能够准确还原物体的颜色，使其在照明应用中更加真实和自然。
耐震动和抗冲击：LED具有固态结构，没有脆弱的玻璃壳体，因此具有较强的耐震动和抗冲击能力，在恶劣环境下更加稳定可靠。
结论
LED作为一种高效、节能、环保的照明技术，其原理和结构的深入理解对于研发和应用LED具有重要意义。随着LED技术不断创新和完善，LED照明将在未来继续发挥重要作用，为人们创造更加舒适、高效的照明环境 。同时，我们也要关注LED制造过程中的环保问题，不断探索更加可持续的LED照明解决方案。
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