为什么一块小小的半导体芯片通电后就能发出耀眼的光芒？关键在于PN结这个神奇的结构完成了电能到光能的魔法转换。
PN结：发光二极管的”心脏”
半导体材料的特殊结构
LED核心由P型与N型半导体紧密结合构成。P区富含带正电的空穴，N区则聚集带负电的电子，交界处形成电荷壁垒。
当施加正向电压时，外电场抵消内部势垒，引发载流子定向移动。电子从N区跨越边界涌入P区，形成单向导通特性。
能带理论的关键作用
半导体中存在价带与导带的能级差异。常态下电子处于低能态，获得能量后可跃迁至高能级导带，留下空穴。
载流子运动特征：
– 电子：从负极向正极移动
– 空穴：等效正向移动
– 交界区：载流子浓度剧增
光子诞生的奇妙瞬间
电子-空穴复合反应
当注入的电子与空穴在PN结附近相遇，高能态电子会”跌落”到空穴所在的低能态。这个能量跃迁过程遵循能量守恒定律。
释放的能量并非转化为热量，而是以光子形式辐射。其波长满足公式：λ=1240/Eg (nm)，其中Eg为半导体禁带宽度（来源：半导体物理基础, 2023）。
可见光的生成密码
光子是否可见取决于其波长：
| 材料特性 | 发光效果 |
|———-|———-|
| 宽禁带材料 | 蓝/紫光 |
| 窄禁带材料 | 红光 |
| 复合型结构 | 白光 |
通过精确控制半导体材料的能带隙，工程师可定制所需光色。GaAs材料发红光，GaN材料则产生蓝光。
光效提升的核心技术
减少能量损耗的工艺
理想状态下所有复合都应产生光子，但实际存在非辐射复合现象。通过以下措施提升光效：
– 采用直接带隙材料（如GaAs）
– 降低晶体缺陷密度
– 优化PN结界面结构
现代LED的电光转换效率可达40%以上（来源：国际光电工程学会, 2022），远超白炽灯的5%，这正是PN结高效发光的有力证明。
封装技术的协同作用
芯片产生的光线需高效导出：
– 环氧树脂透镜控制光路
– 反射杯结构减少光损失
– 荧光粉涂层实现白光转换
