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。
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。
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。
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。
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，
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。
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，
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。
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。
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。
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。
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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