蓝色发光二极管(blueLED)与其他LED相比有何特别？LED发光是什么原理？ (某研究小组利用蓝色发光二极管)

蓝色发光二极管(blueLED)与其他LED相比有何特别？LED发光是什么原理？ (某研究小组利用蓝色发光二极管)

作者：Zhong

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来源：知乎

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1.特别之处

正如其他答案所说，红光和绿光LED早已发明出来，并且很多材料都可以用来做红光和绿光LED，具体可参照LED的wikipedia. 而蓝光LED在中村之前有很多人做，而且1971年第一个蓝光LED就做出来了，用的就是GaN，只不过亮度效率太低，无法商用，所以大家都觉得GaN没前途，从而转向其他材料，像SiC等，不过后来研究者们发现这玩意做出来的LED效率也低而且制造起来非常贵，这个时候默默无闻的中村先生继续在搞被大家遗忘的GaN，最后成功长出来好的GaN晶体以及有效的p型doping的方法，使蓝光LED的亮度和效率大大提高。很快此技术就商业化了。这里面的物理机制没有什么，本科生都懂，其实中村解决的就是一个微电子器件的工程问题（外延生长和掺杂的问题）

2.这个成就配得上诺贝尔奖吗

Definitely!

绝对配得上。不管是基础物理研究还是应用物理研究，只要此项研究可能或者已经带来巨大的理论或是技术上的变革，都是有可能被授予诺贝尔物理奖的。而蓝光LED无疑是已经给社会带来巨大的影响。因为现在所有的LED照明以及LCD显示都会利用到蓝光LED。

首先说用于照明的白光的形成，

A. blue LED+ green LED+ red LED

B. blue LED+ yellow phosphor(磷光粉)

C. UV LED+ R, G, B 三种phosphor

其中UV LED基本上是基于blue LED发展而来的，在高效的GaN以及InGaN blue LED被发明出来后，研究者在GaN掺入Al也就是AlGaN可以产生更短波的UV光，当然其中的器件结构也会发生变化，不是简单的掺在一起。

所以说如果没有高效的blue LED现在的白光LED照明基本上不可能如此普及，因为成本会非常贵(事实上有了blue LED现在还是挺贵的)，所以从这可以看到中村先生工作的意义。

另一个方面是LCD显示，以前的LCD显示背光光源是用冷阴极荧光灯，能耗高而且整个LCD显示器比较厚笨重，LED技术成熟之后，大多采用LED做背光，可以做的很薄而且能耗低，图像效果好。而LCD里用的是白光LED或者用分开的RGB 三种LED，所以说蓝光LED的发明在液晶显示方面也有着巨大的意义，没有这个的话，液晶电视的屏幕不会这么薄，手机平板可穿戴设备等也可能更笨重更耗电(ps.更高效电池的研发要加油了，因为电子产品中几乎所有其他零件的研发目标之一都要尽可能的降低能耗，都在受限于傲娇的电池君啊)

当然下一代显示技术OLED也在蓬勃发展中，这是另一个话题了。也许十年后OLED成为主流显示技术的时候，邓青云教授也是配得上诺奖的(希望邓老那时候安在哈。)

所以个人认为这个奖颁给blue LED的发明人是完全OK的。

ps. 中村先生是2000年左右跳槽到UCSB的，11年听过UCSB校长的talk, 说他认为未来几年blue LED的研究会得诺奖，说他2000年请中村过去的时候就很看好他的研究，所以才花大钱建实验室请中村过去。现在果然是了，这就是大学校长的眼光吧。

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）：

“

”

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。

好像涵盖了第一段所有的术语了，有哪儿没有科普清楚的，请在评论里写出，择日回答。

虽然这三个人的贡献很突出，氮化物领域出了诺贝尔奖多少有些意外。这里按照我的理解，简单介绍下氮化物这个研究领域和三个人的成就。

首先要说明为什么氮化物晶体材料，GaN,InN,AlN以及他们的混合晶体是很重要的发光材料。由下面的禁带发光光谱（wavelength）和晶格（lattice）的图表可以看出，氮化物所覆盖的发光光谱范围是很宽的，是宽禁带的半导体材料，尤其是其混合晶体InGaN可以覆盖整个可见光光谱而AlGaN可以覆盖到深紫外光谱区，这在半导体光电材料中是具有突出的优势。发展相对成熟的III-V族混合晶体例如GaAs，InP等其禁带带宽过小，远远达不到覆盖所有可见光的，尤其是达不到覆盖蓝光光谱的能力。虽然我们可以长出高质量的III-V晶体和器件，但是其永远不能覆盖短波长可见光谱，也就是永远不能用作白光LED的发光材料。一旦我们可以随意的制备氮化物晶体，那么覆盖整个可见光谱的半导体发光将会变的唾手可得。而半导体发光的节能效果甚为明显，LED真正发光层只有几纳米到十几纳米厚，这么薄的材料里，能量再损失能损失多少。

但是，虽然III-nitride氮化物有如此魅力。但是由于其生长制备极其困难，相当长一段时间都是被忽视的。首先制备GaN的基板就很困难。做半导体器件，一定要有生长的基板，也就是发光材料依附的材料。像Si，GaAs之类的因为熔点低，可以通过高温溶解再提取的方法制备，其成本也不算高。但是GaN是极其稳定的材料，其熔点高达 2791K,融解压 4.5GPa，如此的高温高压显然是极其困难。所以高质量的GaN晶体基板直到今天也是难题。高质量的氮化物基板现在无法量产，零星的产品也是死贵。

既然在同质基板上生长材料是不可能的，就要在非氮化物基板上生长氮化物材料。显然，由于晶格不匹配和温度形变不匹配等原因，在非氮化物基板，例如蓝宝石和硅晶体上，获得高质量可以实用的氮化物材料是很困难的。这也就是氮化物材料被忽视的重要原因。

这里就说为什么赤崎和天野先生的贡献能获得诺贝尔奖。当然现在氮化物领域是一个非常热门的研究领域，每次开国际学会都是乌央乌央的一坨一坨的人，而氮化物领域的照明，电子功率器件等都是相当大的产业，自然是搞氮化物的领域车水马龙，人丁兴旺。明年氮化物的国际学会在北京开，鉴于国内LED企业众多，估计参会人数会创历史新高吧。

虽然现在这个领域很红火，但是当年在赤崎先生坚持的时代，是一个彻头彻尾的冷门。当整个科学界都视这个研究方向为不可能课题的时候，仍然坚持的人是要有眼光和勇气的。

赤崎先生研究的就是在非氮化物基板，蓝宝石，晶体硅等材料上生长高质量的氮化镓外延层。其中一个非常重要的成果就是当时还是在读博士生的天野先生的研究成果。他们用一层100纳米厚度的低质量AlN覆盖在蓝宝石基板上，然后再在AlN上面生长GaN。由于AlN的缓冲作用，GaN外延和蓝宝石基板的晶格不匹配被部分抵消，最终的GaN外延层质量大幅提高，其GaN外延层质量用作生长蓝光LED的基础已经毫无问题。GaN基光电器件初见曙光。

(要是哪个实验室老板的方向具有划时代的意义，博士课题获得诺贝尔奖也不是不可能，可惜可遇不可求)

这个成果是在1986年发表的。而获得一个蓝光LED器件仅仅解决GaN层的问题是不够的。如下图所示，一个LED器件要有掺杂p-GaN和n-GaN以及混合晶体InGaN的生长，当时，因为研究氮化物并不是一个热点，这些问题都是空白的，有待继续研究。

此时，一个大侠横空出世，就是中村修二，如果说赤崎和天野让氮化物的研究有了希望。那么中村就是这个领域的独行侠和集大成者。中村很牛，并非名牌大学毕业，当时并没有博士学位，而只是一个技术员。他当时觉得氮化物领域有前途，其主张获得了日亚公司的全力支持。而此君就像天神附体一般，短短的时间内，不但沿着天野的思路，创造了新的获得高质量GaN的方法，还解决了蓝光LED的各项关键技术，甚是直接做出了蓝光激光。要知道在异质结基板上做激光器不是那么好做的，即使在同质结基板上的激光器（III-V族激光器）也不是那么好做。可见日本公司的研究环境和研究能力是很牛的。日亚据此在氮化物领域获得了大量的专利。当时由于这个研究领域刚起步，中村的速度又太快，所以氮化物器件研究的大师地位自然就是中村一人的。其实当时赤崎研究室和中村的研究是有竞争关系的，不过中村做的成绩更为耀眼一些。

其中，中村的制备高质量GaN外延薄膜技术如下图，用低温的GaN(LT GaN)做缓冲层而不是天野的AlN做缓冲层，因为GaN结晶比AlN更为方便容易，所以此项技术在工程量产上有重大的意义。这篇文章当年发表在JJAP上，而且作者只有他自己。这个技术是很重要的成果，现在全世界各个大学实验室和公司依然用这个技术获得高质量的GaN。这里不得不说说发表文章的事儿，实际上好像在氮化物领域此三位重要的开拓性的人物，在他们获得重要成果的时代都没有发表过极高影响因子的文章。我个人觉得这个领域，后面所有人的研究其重要性都不可以和这个三人比。而这个JJAP现在国内好一点的大学已经看不上眼了。而我个人感觉，中村这些突破之后，氮化物领域的真正大的突破几乎没有。但是高影响因子文章遍地都是。有些事情就是很奇怪。毫无任何实用价值的研究倒是乱发文章，当然这是我的个人偏见。

至于蓝光LED为什么重要，因为用蓝光可以激发荧光粉材料发出其他黄绿光谱的光，加上蓝光本身就成了现在商用的白光LED。而这个是InGaP等红光LED做不到的，因为荧光粉的发光光谱只能由更短波长的光来激发，也就是只能是蓝光激发黄绿光，而不能由黄绿光激发蓝光。所以获得短波长的光是至关重要的。

所以这个诺贝尔奖颁给了蓝光LED的发明者而不是LED的发明者。因为对于应用意义上的白光LED，显然这个奖是发给为人类节能照明事业贡献巨大的研究，其中蓝光贡献更大，更直接。

为什么不直接生长蓝光，黄绿光谱的LED。理论上是可以不用荧光粉而只靠晶体本身发光而做到产生白光的。但是要制备发黄绿光的LED必须要高In组分的InGaN，这在目前还是个难题。实际上如果能轻易获得高In组分的InGaN。用氮化物做的太阳能其效率将会比现有技术大为提升。这里面受益的可能还有新发展的电解水的技术。

氮化物领域还有很多不完善的亟待解决的问题，例如非极性面生长，高In组分的InGaN，GaN基板这样制约着器件本身的成本和效率等问题。成本居高不下和效率和寿命提升的瓶颈正是阻碍其大规模商用化的关键。在今年八月份的国际学会上，中村做的基调演讲，按照他的预测，非极性面的GaN基板将来会成为主流，若真是如此，氮化物领域还是有前途的，否则，各种新材料层出不穷，而氮化物器件的成本不能大幅降低而效率和寿命不能大幅提高的话，被新材料淘汰也是有可能的。

在电子功率器件等领域，氮化物还是有着很大的发展前景，其未来不只是局限于LED行业，我们生活中的很多方面都可能因为氮化物的应用而改观。其节能的特点，让其在人口暴增，能源需求暴增的时代，显得有格外重要的现实意义。

这个角度讲，三个氮化物领域的开拓性人物是值得获得诺贝尔奖的。可以想象，如果未来LED是人类照明事业的根本，那么这个技术少发明一天，人类要损失多少能源消耗。

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现在很多人看来日本的这次诺贝尔奖来说日本科技如何强大，我倒不这么觉得，我反倒看到日本的科技是如何衰落的。中村这个毫无靓丽背景的技术员，创造了一个又一个奇迹，自己获得了蓝光之父的大师地位，除了靠着公司的支持，更多的是个人的创造力和能力问题。但是，这个个人英雄却没有很好的融入日本社会，中村和日亚，甚至中村去加州大学当教授，而没有留在日本的大学，显然其中故事是耐人寻味的。如果中国有这样的技术大师，而大师成名之后，又远走美国，我只能说中国的科学技术界是有严重问题的。我倒是觉得，中国现在又这样的大师，各个大学会抢着要，这点比日本大学要好一些。而中村和Cree的关系来看，中村出走，对日亚到底有多大的损失也不好说。

另外，现在保守的日本企业还有多少空间能允许中村这样的人来发挥也不好说。而且这些研究成果都是在八九十年代，正是全球化还没有兴起，日本经济依然风头正劲的年代。而三人，尤其是中村身上的那种能闯能拼的大侠精神，现在在日本九零后身上还有多少也未可知。

中村这样的大师出走的故事，如果不是氮化物相关的人是不知道的，我也一直很想吐槽这件事。现在随着诺贝尔奖的效应，这个应该广为人知了，整个日本社会应该反思中村为什么出走，中村在出成果的时代显然还是日本人。本来应该是三个日本人获奖，这是日本科研界的荣耀。但是最终变为两个日本人和一个日本裔获奖，多少有点尴尬，背后原因值得日本社会好好玩味。

重新来过：蓝光LED是一项有着无限应用价值，颠覆工业界，启发学术界的发现（发明）。

首先是照明业。原来的LED基本只能用在指示场合，像大家熟知的记分牌数码管，PC机电源硬盘指示灯之类。而在客厅卧室教室学校办公室道路所有这些地方，需要照亮的时候，从来就没有用过LED，为什么呢？LED发光的原理是电子在电场作用下发生能级跃迁，而同一种材料的禁带宽度是一样的，发光的波长（颜色）也是一样的，LED是单线光谱，也就是说，一种LED只能发出同一种颜色的光。以前没有蓝光LED的时候，红光和绿光LED是有的，那这两种光源无论以何种比较混合，都没法产生可用的白光。用专业术语来说就是这些方案的显色指数太低了。显色指数指的是光源还原阳光下物体颜色的水平指数。举个例子，在红光LED照明环境下，您穿一件白天看起来绿色的衣裳，在这看起来就是黑色的。

蓝光LED出现之前照明行业没有LED的位子，另一原因是红绿LED禁带宽度太小，发光效率低下，耗电太大。可别小看耗电问题，我朝废止白炽灯的2010年前后，全球照明用电占总发电量的20%左右，作为对比，同期来势汹汹新能源发电量只有2%上下。而在蓝光LED广泛应用后，LED照明设备的光效不断提高，并有达到摩尔定律的趋势。

LED能在照明行业大展鸿图，蓝光LED功不可没。它能与红绿LED混光产生多色光谱（白光），也能在波长继续变短后利用荧光灯发光原理，激发灯珠内壁的荧光粉发出白光。（后者成本更低，效率更高。）现在的LED成品光效高，驱动电路简单，没有汞污染，没有频闪，无需预热，可调性好，寿命超长，LED进入照明界就好比梅西加入国足，彻底改变了一切玩法。关键是LED驱动电源的简单性，极大降低了照明业的准入门槛，把所有玩家拉到打价格战的同一起跑线来，也导致某知名公司壮士断腕（或壁虎断尾，待观后效吧）。

在学术上，蓝光LED的发明和广泛应用也意味着宽禁带器件的逐步成熟。宽禁带器件有着双向通断可控，无反向漏电（易成肖特基势垒），频率高等硅器件无可比拟的优点，亦将改变材料，半导体，电源三界的格局，并且终将改变我们的生活。这要将开去我的手机死机100此也说不完了，所以就此打住吧。

争取写一篇没学过半导体物理没太多专业知识的人也能看懂的答案吧

楼上的答案说的都挺到位，只是，开口就谈外延生长、禁带宽度、晶格匹配，对于一个没有专业知识的人，你们确定你们没有在耍流氓

第一版写得略粗糙，如果有人看，我会滚回来更新的！

评论有人说看不懂，伤心%_%更了一点点，晚上继续

少女更完了，快来点赞！！

1.半导体的能带结构

能带理论中，我们用电子所处的能级，也就是电子所具有的能量来描述它。一般，固体材料的能带结构分为导带、禁带、价带。导带电子能量最高，最远离原子核。在导带的电子可以自由运动，传导电流。禁带不允许电子存在。价带靠近原子核，电子能量较低。在绝缘体中，价带中所有允许电子存在的状态都被电子填充，成为满带。当价带被电子完全填充时，电子无法相对运动，也就不能导电。

不妨做这样一个比喻。一个个的电子是一个个的小人，价带和导带里允许电子存在的状态是电影院里一个个的座位。禁带是座位和座位之间的空地，因为没有座椅，所以人（电子）不会坐在那里。价带能量低，就好比电影院里靠近荧幕的好座位，人（电子）会首先选择靠前的座位，也就是先把价带填充满。因为价带里的座位坐满了人，成为满带，所以人（电子）不方便移动，不导电。导带是后方就空的座位，没有什么人，人可以很轻松的从一个位置移动到另一个位置。

如图，从上到下能量依次减小（Ev价带，Ec导带，Ef费米能级）

一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小甚至重叠在一起，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，使价带的电子跃迁到导带，此材料就能导电。

回到那个电影院的比喻。电子的跃迁就好比是，在外界能量激发下（比如想和女朋友去后排亲热，对半导体来说，可以是外界温度、光照等等），有一个人放弃了前排的好座位，从价带穿过禁带到了导带，坐在了后排空旷的位置上。在后排，他可以自由的移动，也就是材料可以导电了。

另外注意一下Ef费米能级。费米能级指的是绝对零度下电子所能占据的最高能级，通过掺杂，我们可以改变费米能级的位置。

2.PN结

PN结就是P型半导体和N型半导体通过工艺接触在一起的结构。在说N型、P型半导体之前，先说一下空穴的概念。空穴实际上是一个等效的概念。当电子离开原有位置，便在此留下一个带正电的空穴。周围所有电子的运动都可以等效为这一个空穴的运动。还是可以继续沿用那个电影院的比喻。空穴就是一个没有人坐的空座位。假设价带有一个空座位，那么坐在价带带的人（电子）可以移动，A从他原有的座位换到那个空座位，然后B又可以坐到A留下的那个空座位。A.B以及之后其他人（电子）的移动，都可以等效地看作是那个空座位的移动。空穴在价带的移动，同样可以导电。

然后，我们来看P型、N型半导体。它们是通过在半导体中掺杂得到的。未经掺杂的半导体，价带会有部分电子受热激发到导带，在导带移动，同时在价带留下可移动的空穴，使半导体导电。导带的电子和价带的空穴浓度时相同的。但是，电子和空穴的浓度都很低，电导率不高。而通过掺杂，可以大大提高半导体中电子或空穴的浓度。

N型半导体以在硅中掺杂磷为例。硅最外层4个电子，磷最外层5个电子。掺杂后，半导体部分原子（硅原子）被杂质原子（磷原子）取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，就成为了含自由电子浓度较高的半导体即N型半导体，N即为negative，代表带负电的电子。与未掺杂的半导体不同的是，N型半导体中电子浓度远大于空穴浓度。同时，N型掺杂使得费米能级高于未掺杂时。

P型半导体的制备与此类似。掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”，成为能够导电的物质。P即positive，代表导电的是带正电的空穴。与未掺杂的半导体不同的是，P型半导体中空穴浓度远大于电子浓度。同时，P型掺杂使得费米能级低于未掺杂时。

现在，我们姑且可以认为P型半导体是有很多可自由移动的空穴的半导体，N型半导体是有很多可以自由移动的电子的半导体。当N型半导体与P型半导体接触时，P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，又因为导带的电子、价带的空穴可以自由移动，所以二者之间将产生扩散运动。扩散的自由电子和空穴相互结合，使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少，带正电，同时原有P型半导体的空穴浓度也减少，带负电。在两种半导体中间位置形成一个耗尽区，这个位置，电子和空穴由于扩散和复合而被耗尽。同时，因为N型半导体失去电子带正电，P型半导体失去空穴带负电，耗尽区形成了由N型半导体指向P型半导体的电场，成为“内电场”， 这个电场阻止N区的电子继续向P区移动，或P区的空穴向N区移动。

如图（圆点是电子，圆圈是空穴）浓度差使空穴从左向右运动，电子从右向左运动；内建电场使空穴从右向左运动，电子从左向右运动。两中作用最终达到平衡，在耗尽区形成内电场。

用能带理论也可以解释PN结的形成。当N型半导体与P型半导体接触时，两者的费米能级要保持一致，从而使导带和价带发生了扭曲，产生了内建电势，阻止N区的电子继续向P区移动，或P区的空穴继续向N区移动。如图

3.LED发光

通过在PN结上加上外加电压，可以改变内电场，原有的内电场和浓度差两种作用达到的平衡就被打破，耗尽区的厚度改变，如图。

当在PN结上加上与内建电场相反的电压时，内电场减小，不足以阻止电子和空穴的扩散运动。N区的电子进入P区，与p区的空穴复合；同理，P区的空穴进入N区，与N区的电子复合。如果这种复合是直接的带与带之间的复合，就有光子发射，波长由半导体禁带宽度决定。

4.蓝光LED的难度与重要性

前面已经说过了，半导体的禁带宽度决定LED发光的波长。要得到短波长的蓝光就需要宽禁带的半导体。而这样的材料，要么亮度不够，要不成膜困难。这就是为什么在红光和黄光LED出现了三十几年之后，我们才得到了蓝光的LED。

至于蓝光LED的重要性，各位知友都说过了。现在的显示屏利用的是三原色的显色原理，即利用红黄蓝三原色的叠加，得到各种可见光。如果缺少了蓝光，LED显示就难以实现，LED白光灯也是。

蓝光LED的重要性，不在于它用了多么创新的科技，而在于它对LED照明和显示的实用化的巨大贡献。

用MOCVD长过一年氮化镓和铟镓氮的怒答。中村修二的主要贡献应该是长出了高质量的p型掺杂的氮化镓，因为高掺杂浓度，高迁移率的p型掺杂氮化镓不容易实现，中村修二通过mg掺杂再高温快速退火之后得到了高质量的p型氮化镓。由于n型掺杂比较容易实现，有p型，n型之后，那就很简单了，p和n复合发出蓝光波长的光。集合红绿蓝三原色就可以召唤出白光了。

中村修二得诺奖是迟早的事，终于是如愿。恭喜！（老板九十年代初在东京大学做类似的研究，没做出来，现在已哭晕在实验室，哈哈。）因为红光LED和绿光LED已经问世很久，但是蓝光LED直到三十多年后才被发明出来。主要困难在于几种能发蓝光的材料要么亮度不够要么成膜困难无法用作大规模生产。

LED的用途与重要性不必多说，缺少蓝色LED，所有的显示屏都不能正常显示颜色。

而且最简单的白光LED制作方法是在蓝光LED里面加别的荧光粉。所以没有蓝光，连LCD显示屏都要受影响。另外蓝光DVD的写入数据用得蓝色激光也是用的这个技术。

受邀惶恐，不知所言。我对LED获奖还是感到很开心因为大三的时候做过一段时间，也是AlGaN深紫外LED，AlGaN除了宽禁带还有个优点是直接带隙（忘了不确定）。

这个技术难点简单的说就是两点，一个是生长，一个是掺杂，最终目标是提高发光效率。比如用缓冲层解决晶格失配，让缺陷横向生长等等。注入的电子一般在掺杂成的量子肼里复合发光。生长一般用的是MOCVD（金属气相沉积）MBE（分子束外延），关键是各种温度浓度进气速率一堆参数要调，不过那台设备主要是温度上不去，温度到1300，1400缺陷就很少了，最好的MOCVD设备是日本的，人家不卖，德国的也要一千多万。不知道康老板后来有没有再买一台。

P.S. LED国内大概还远比不上台湾，不要说日本了，听说还有不少买来SiC掺一些别的继续卖的，都是坑。还有一些土豪完全也就是烧钱，低端的产能过剩，现在不知道怎么样了

貌似和蓝光有关的东西都有着高大上的帽子，比如前文介绍过的蓝色电子管

然而发光这种事情就是一个人也能做，是一种很稀疏平常的事情。（黑体辐射）蓝光不知为何能成为高端大气的代名词，但是宇宙中其实不缺乏蓝光的。

我们下期讲解肖特基二极管

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