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發光二極管的基本原理:從電子到光子的奇妙旅程

發光二極管(Light Emitting Diode)是一種半導體光源,它通過電流激發材料內部的電子來產生光線。這種設備的核心是一個PN結,即P型和N型半導體材料的結合界面。

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在發光二極管中,當正向電壓施加於兩端時,來自電源的電荷載流子——空穴和電子分別從P區和N區註入到PN結區域。這些載流子在相遇後會發生復合,釋放出能量。如果這個能量以光的形式被釋放出來,我們就看到了發光二極管發出的光。

發光二極管的工作機製依賴於能帶理論,其中半導體材料具有導帶和價帶兩個不同的能級。當電子獲得足夠的能量從價帶躍遷到導帶時,就會形成自由移動的電子-空穴對。一旦這些電子重新回到價帶並與空穴復合,它們就會將多余的能量以光子的形式釋放出來。不同類型的發光二極管使用不同的半導體材料,這決定了它們可以發射出不同波長(顏色)的光。

例如,紅色發光二極管通常基於砷化鎵(GaAs),而藍色發光二極管則可能使用氮化鎵(GaN)。隨著技術的進步,現在也出現了能夠生成白色光的發光二極管,它們通常是通過藍光發光二極管配合熒光粉塗層實現的。

總之,發光二極管不僅展示了現代物理學的魅力,還成為了高效照明和顯示技術的關鍵組件。