半导体发光二极管的工作原理、特性与应用详解

半导体发光二极管（LED），简称LED，是一种基于Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）和磷砷化镓（GaAsP）等制作而成的特殊二极管。其核心是PN结，具备常见的PN结特性，即正向导通、反向截止和一定的击穿特性。然而，LED的独特之处在于其在特定条件下的发光特性。 当正向电压施加在LED上时，电子从N区注入P区，空穴从P区注入N区，两者间的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）发生复合，这个过程中释放出能量，导致发光。如果发光主要发生在P区，电子与价带空穴的直接复合或通过发光中心的捕获与空穴复合产生光辐射。非发光中心的存在会导致部分电子被捕获并释放低能量光，只有当发光复合的比例远大于非发光复合时，光量子效率才会提高。 LED发光的峰值波长与半导体材料的禁带宽度Eg有直接关系，通过公式λ≈1240/ Eg（mm）计算，其中Eg以电子伏特(eV)为单位。要获得可见光（380-780nm范围），Eg需在3.26-1.63eV之间。红外光的波长大于红光，已有各种颜色的LED，但蓝光LED因其高成本和价格问题，普及度不高。 LED的重要特性包括： 1. 极限参数： - 允许功耗Pm：LED在正常工作的最大功率限制，超过这个值会导致过热和损坏。 - 最大正向直流电流Ifm：LED可以承受的最大直流电流，超过这个值会损害LED。 了解这些基本原理和特性对于在元器件应用中选择、设计和使用LED至关重要，它们广泛应用于照明、显示屏、通信设备、医疗设备等多个领域，因其高效节能、寿命长等优点而受到青睐。随着技术的发展，LED的性能持续提升，有望在未来实现更广泛的用途和更高的性价比。