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【PCB工艺】发光二极管的原理

news 来源：原创 2025/9/20 20:18:40

你真的知道发光二极管为什么会发光吗？ 而为什么另一部分二极管不会发光呢？

这篇文章解释元器件发光二极管（LED）的底层原理。

发光二极管（LED, Light Emitting Diode） 是一种能够将电能转换为光能的半导体器件。它是现代照明、显示、通信等领域的核心元件之一。LED 是一种特殊的二极管，在正向导通时会发光。它的发光不是因为加热，而是源于电子-空穴复合时释放能量，称为：

🔬 电致发光效应（Electroluminescence）

接下来，我们来理解这个过程。

LED 发光的底层物理原理

半导体材料构成

硅（英语：Silicon，台湾译矽），是一种化学元素，化学符号为Si，原子序数为14。

硅是外观带着灰蓝色金属光泽且坚硬易碎的晶体，亦是一种四价的类金属半导体。硅为周期表第十四族元素之一。

硅元素：

在纯硅当中，硅的最外层有4颗电子，在纯硅当中它会形成一个共价键的特性：每颗电子之间相互共享，那么就变成每一个硅原子的四周就变成了一个8电子结构。

硅元素

在专业物理当中，硅元素之间共价的部分给它束缚在中间的位置被称为价带。价带以外黄色的区域被称为导带。

如图，将这些电子束缚在一起的空间为价带，价带以外的部分为导带，而价带与导带之间有一条像是一堵墙的部分被称为 能带间隙。

能带间隙
接下来，当温度开始发生变化的时候，会使得这些电子开始逐步变得躁动【电子会吸收温度的能量】，当温度逐渐增高时，，这些电子不断获得能量，这时候，它会从价带当中游离出来进入到导带的区域。

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提升温度使得电子获得能量【热量】，价带当中的电子会脱离至导带区域中，形成游离的电子，而它原本【占位区域】的座位便失去了电子，形成了空穴。

空穴是带正电的【失去电子显正电荷】，游离的电子显负电荷。同理，如果我们为硅材料降温，逐渐降温的过程之中，相当于这个能量在不断地释放，这时候，电子身上所吸收的热量被释放，于是这些游离的电子释放掉能量之后，又会回到价带的空穴之中。

当电子获得了足够能量 ——> 突破价带的束缚，在原先的价带上出现 电子空穴对 ——>
当电子失去能量后，它又会重新回到价带当中，回归至 8电子共价键的稳定结构。

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在理解了硅元素的电子结构的基础之上，我们给它进行掺杂，在硅元素中掺杂一个五价的磷元素（电子排布 [Ne] 3s2 3p3 / 2, 8, 5），磷元素的外围有 5 颗电子加上硅外围有4 颗电子，5 + 4 = 9，于是除了价带之中稳定的8个电子之外，还有一颗游离的电子，

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而因为磷元素自带的能级本身就比硅元素要高一个层级，于是，这里便衍生出另一个知识点，在物理学当中，不同的材料、不同的元素、它们所蕴含的能量是不一样的。也就是说，在这个结构之中，磷元素所本身自带的能量比硅元素要高一点，所以它所多出来的这颗电子能够出现在导带当中呈现出运动 / 游离状态。

这颗多出来的电子被称为 自由电子。而这类磷元素掺杂之后的材料则是我们所熟知的 N型半导体。

N型半导体

同理，在这个基础之上，给硅元素掺杂一个 3价的硼元素，硼元素只有三颗电子，硅元素有 4颗电子，本身自带的电子缺少一颗，于是掺杂之后会在价带上形成一个空穴，这些空穴是带正电荷的，

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也就是说，这一整个区域全都是空穴，这类由硼元素与硅元素掺杂导致的材料便是 P型半导体。

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接下来，我们将 N型半导体和 P型半导体结合，形成了一个 PN结。

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我们为 PN结通电，电子之间同性相斥、异性相吸，电流会推动电子一层一层的往前走，然后原有的电子被推动由 N型半导体区域进入 P型半导体区域的空穴之中。

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这便是二极管的底层原理。

接下来，我们回归到物理的基础本身，当电子一个一个往前推进，它突破NP结之间的耗尽层之后，空穴是出于价带之中的，而游离过来的电子是处于导带之中的。 当电子获得能量较高的时候，会从价带中跑到导带区域运动/游离。而当它的能量比较低就会从导带区域回归至价带的空穴上形成稳定的电子结构。

回到上面通电之后的 PN结半导体之中，我们看看这个过程：从左至右的游离电子从导带区域进入价带区域，跑到空穴位置上，这个过程中电子会释放它的能量，是能量层级高由能量层级低的区域转化，因为它相当于从导带上的游离电子跌回到价带上的空穴上形成稳定电子结构的过程。这两个区域本身的能量层级就不一样，电子这个时候相当于从高层级降级至低能量层级之中。这个时候，电子需要释放掉自身的能量，所以我们可以观察到当电子填充到这些空穴部分的时候，它会释放它的能量。

而我们这里的 PN型半导体的材料是由磷元素和硼元素与硅元素结合所掺杂出来的半导体材料，在这种材料之下，电子释放出来的能量，体现为热量。

也就意味着在我们正常导通的情况下，PN型半导体材料会发热。

这也解释了为什么二极管在通电的过程中，即便是一个正向导通的过程当中，二极管会发热，因为这个过程中电子从左往右的移动过程相当于是从高能级跌回到低能级，也就意味着电子需要释放它的能量才能从导带区域进入到价带区域之中。

接下来，我们把纯硅替换成 GaN（氮化镓）这种材料，其中，氮有 5颗电子，镓有 3颗电子， 5+3=8，氮化镓本身也会形成一个稳定的 8 电子结构，然后在此基础上，我们给氮化镓掺杂 4价的硅元素，于是 4（硅）+5（氮）= 9（个电子结构），于是会出现一颗游离的电子。

这与PN结半导体的原理完全一致，区别只是将材料换了一下而已，另外一边也是一样的，在氮化镓当中掺杂 2价的镁元素，5（氮）+2（镁元）= 7（个电子结构），于是便会出现一个空穴。

在这个基础之上，跟上面的纯硅掺杂的结构底层原理是一样的，只不过是材料换了一下而已，材料跟换之后，也是一样为此材料通电，游离的电子会从左往右推动。从导带区域进入价带区域的空穴之中。电子会由高能级跌落到低能级，这个过程当中，电子需要释放能量。而不同的是，这个时候我们用氮化镓掺杂硅元素和镁元素的材料，它释放出来的能量【能级释放】就不再是热量了，而是光子。

所以，当电子经过时，发光二极管会发光，这便是发光二极管的原理了。仅仅是因为发光二极管中利用的材料和PN结二极管的材料有区别，所以释放出来了不一样的能量。

这里，用氮化镓做出来的材料在导通的过程中能够发出蓝光，如果使用碲化铝释放出来的便是红光，磷化铝则是绿光。不同的颜色光其实本质上是用不同的掺杂材料。

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发光二极管本身和 PN结二极管的原理想通，只是替换了不同的材料进行掺杂，只是，PN型二极管释放出来的能量形式是热量，而氮化镓材料掺杂出来的材料所释放出来的能量形式是光子。这也完整解释了为什么LED灯（发光二极管）会发射出光的原理。

LED 由 P-N 结构的半导体材料构成，常见材料包括：

GaAs（砷化镓）
GaP（磷化镓）
GaN（氮化镓）
InGaN, AlGaAs 等复合材料

这些材料具有直接带隙（Direct Band Gap），有利于发光。

能带结构与电子复合

综上所述，在半导体中：

导带（Conduction Band）：自由电子所在能级
价带（Valence Band）：空穴所在能级
带隙（Band Gap）Eg：两者之间的能量差

发光过程如下：

正向电压加在 LED 上（P 接正，N 接负）
电子从 N 区注入 P 区，空穴从 P 区注入 N 区
在 P-N 结附近，电子与空穴复合
电子从导带跃迁到价带，释放能量
能量以光子的形式释放：

光子发射 → LED 发光

发光颜色与材料带隙有关

不同材料 → 不同带隙 Eg → 不同波长 λ → 不同颜色

发光颜色	波长 (nm)	常用材料
红光		~620–750	GaAs, AlGaAs
橙光		~590–620	GaAsP
黄光		~570–590	GaAsP
绿光		~495–570	GaP, InGaN
蓝光		~450–495	InGaN
紫光		~400–450	GaN
白光		复合光		蓝光 + 荧光粉

LED 电气特性：

特性				描述
单向导通			正向导通，反向截止（如普通二极管）
正向电压 Vf		常见红光 1.8V，蓝光3.2V
工作电流 If		通常为 5mA～20mA（过大易烧毁）
电压-电流关系		指数关系（非线性）电路使用过程中必须限流：串联电阻或恒流源，防止过流烧毁；不能反接：LED 反向击穿电压很低，易损坏；使用恒流驱动更稳定（特别是大功率LED）

总之，LED 是一种通过电子与空穴在半导体中复合发光的器件，核心是“电致发光”原理，而其发光颜色取决于半导体材料的能带结构。

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LED 发光的底层物理原理

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