LED（发光二极管）的发光原理基于半导体材料的电致发光效应，其核心是电子与空穴复合时释放光子的过程。以下是详细解释：

LED 发光的关键原理

1. 半导体材料结构： LED的核心是一个PN结——由P型半导体（富含带正电的“空穴”）和N型半导体（富含带负电的“电子”）结合而成。当PN结加上正向偏压（正极接P区，负极接N区）时，电子和空穴会向结区移动。

2. 载流子复合与光子释放：

   • 电子从N区越过PN结进入P区，同时空穴从P区进入N区。
   • 当电子与空穴在PN结附近相遇时，发生复合：电子会填入空穴（即从高能级的导带跌落到低能级的价带）。
   • 能量差以光子形式释放：电子跌落时损失的能级差（( \Delta E )）直接转化为光子能量，符合公式： [ E_{\text{光子}} = h\nu = \Delta E ] 其中 ( h ) 是普朗克常数，( \nu ) 是光子的频率（决定光的颜色）。

3. 光的颜色由能隙决定：

   • 光子波长（颜色）取决于半导体材料的禁带宽度（( E_g )）。
   • 调控材料实现不同颜色：
     • 红光：磷化镓铟（InGaP），禁带宽度约1.8–2.0 eV
     • 蓝光/白光：氮化镓铟（InGaN），禁带宽度约3.0–3.4 eV
     • 红外线：砷化镓（GaAs），禁带宽度约1.4 eV

   

为什么LED高效节能？

• 冷光源：能量几乎全部转化为光（极少发热），而白炽灯90%能量转为热量。
• 高响应速度：复合过程在纳秒级完成，无延迟。
• 长寿命：固态结构无灯丝损耗，寿命可达5万小时以上。

关键组件与技术

1. 掺杂元素控制：

   • N型半导体掺入磷（P）、砷（As）等提供电子；
   • P型半导体掺入硼（B）、铟（In）等产生空穴。

2. 量子阱技术（现代LED核心）： 在PN结内添加多层纳米级半导体薄层，将电子和空穴限制在微小空间内，大幅提升复合效率。

3. 荧光粉转换（白光LED）：

   • 蓝光LED激发黄色荧光粉（如YAG:Ce³⁺），混合蓝光与黄光形成白光；
   • UV-LED激发红/绿/蓝荧光粉，实现全光谱白光。

总结：LED发光三部曲

1. 电子驱动：正向电压驱使电子与空穴穿过PN结；
2. 能级跃迁：电子跌入价带与空穴复合，释放能量；
3. 光子诞生：能量差直接转化为特定波长的可见光。

LED技术将电学能直接转化为光能，跳过热辐射的低效路径，成为现代照明革命的物理基石。