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蓝色发光二极管 (blue LED) 与其他 LED 相比有何特别?


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他们三个发明了基于InGaN的蓝光发光二极管。InGaN的禁带宽度大,所以电子从导带向价带坠落时发出高能量(短波长)的光。比如用GaAs作为二极管,由于禁带宽度小,只能发出红外光。宽禁带的晶体长晶不容易,GaN不能像GaAs或Si一样长成大片,柱形的单晶体。考虑到晶格的匹配,一般只能在蓝宝石上生长(现在也能在其他基地上生长,SiC,Si,甚至金属)。

个人觉得这几年的诺贝尔物理奖更倾向于给应用物理方面的,能够在世界产生巨大应用前景或已经产生极大影响的研究成果。比如光纤,石墨烯,加这次的蓝光发光二极管。蓝光二极管的产生,三元发光色才完备,才能使白光显像成为可能。现在的广场大屏幕LED,手机,电视都在用,已经融进了每家每户。市场上已经大量出现LED的灯泡,他们是通过改变蓝光和黄光的比例产生出白光或类似太阳色的自然光,其中黄光是通过蓝光照射荧光粉产生的。所以有了蓝光LED 就有了白光,使节能的白光LED照明成为可能。之后的紫外光二极管加荧光粉产生的白光二极管(日光灯原理: 汞蒸气产生紫外光,紫外光轰击荧光粉后产生二级光子为白光),使白光具有了全光谱。未来的家庭,市政的光源必定是LED的天下。从影响力上看,这几十年的物理研究,影响力无出其右。


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评论里很多人说第一段太专业,看不懂。有大学物理系本科的固体物理知识,应该都能看懂。这里稍微解释一下。
多数解释性内容copy自wiki,因为wiki上的解释已经非常好了,至少比我临时写得要好。
首先解释下能带(引号斜体from wiki):
固体材料的能带结构由多条能带组成,能带分为(简称导带)、价电带(简称)和禁带等,导带和价带间的空隙称为能隙。

能带结构可以解释固体中、、三大类区别的由来。材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时,电子就可以在带间任意移动而导电。


一般常见的金属材料,因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小,在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电,而绝缘材料则因为能隙很大(通常大于9电子伏特),电子很难跳跃至传导带,所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特,介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发,或是改变其能隙之间距,此材料就能导电。
我真的不太会科普,wiki的这段表述也不太容易理解,所以尽力解释下:通俗点说(但不严谨): 电子在晶体中有两种状态,一种是束缚态,绕着原子核转的。另一种是自由状态,可以在不同的原子核或是晶格中来回跑的。自由状态的能量一般比束缚状态的能量要高一点。比如说金属,有很大一部分电子是自由的,可以在不同晶格中穿梭,所以金属能导电。但是本征半导体(没有掺杂的半导体)或绝缘体,电子都束缚在原子核周围。靠热激发,电子还不能变成自由态,所以一般情况下不导电。
对于本征半导体或绝缘体,从束缚状态到自由状态,电子需要一定的能量去激发,可以通过热,震动,光子,其他粒子等等。束缚态中,存在着各种能带,电子可以存在于这些能带中,每个能带存在着两个自旋相反的电子。电子的能量从低到高填满了这些束缚态的能带,我们称之为价带。价带填满的时候,价带是满带,满带不导电。其中价带的能量最高的那一条带的能量最高点,称之为价带顶。一会会用到这个概念。同样,自由态现在是空带,没有电子,也不会导电。但是一旦有了电子,这些电子就能自由穿梭,开始导电,自由态对应的能带,我们成为导带。其中导带的能量最低的那一条带的能量最低点,称之为导带底。价带顶和导带底之间的能量差称之为禁带。电子不能在禁带中存在,因为没有可以存在的态。
那么怎么让半导体导电呢,就是掺杂。”掺杂是制造工艺中,为纯的引入杂质,使之电气属性被改变的过程。“掺杂就是在禁带中增加一条掺杂能级, 本来不能有电子存在的地方,由于引入了一条掺杂能级了,所以可以有电子存在。有的掺杂能级靠近价带,称为P掺杂,价带中的电子通过热激发到了掺杂能级,就能导电,因为这时价带不再是满带,空穴能自由走。想象一下,一个原子缺了一个束缚的电子后,边上的原子有时会贡献一个电子给他,边上的原子就缺了一个电子。缺了电子的位置成为空穴。同时,有的掺杂能级靠近导带就是N掺杂。掺杂能级中的电子可以激发到导带,参与传导。 这些参与导电的电子或空穴成为载流子。载流子浓度越高,导电性能越好。
把P型半导体和N型半导体贴在一起就是个PN结,Diode(二极管)。 LED就是PN结的一个应用,其中D 就是Diode。
刚才说到,P型掺杂后,价带上有空穴;N型掺杂后,导带上有电子。那么将P和N贴在一起会发生什么呢?导带上的电子会落到价带上的空穴,这是个电子空穴的复合过程,复合的过程也是一个发光的过程。因为导带上的电子能量高 ,价带上的空穴能量低。在下落过程中,发出一个光子。这个光子的能量正好是导带底的能量减去价带顶的能量,也就是之前说的禁带宽度。光子的能量和光子的波长有关,E=hv。波长越短,颜色偏紫,能量越高;波长越长,颜色偏红,能量越低。也就是说:禁带宽度越大,产生偏蓝光,禁带宽度越小,产生偏红光
这些就是LED的基本原理了.。






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