自从爱迪生发明的白炽灯在1879年点亮了克利夫兰公共广场的夜空后，电力照明逐渐走进千家万户。在21世纪的今天，除了最先出现的白炽灯，我们还可以购买到荧光灯，节能灯，LED灯等等等等。如今，在这个追求绿色低排放的社会中，高效美观的LED灯逐渐成为了市场的主流。不过，屏幕前的你在每天使用LED灯的时候，是否有想过LED灯的LED是什么意思，它体积小效率高的特点又是怎么造成的呢？
彻底改变发光二极管命运和整个世界的蓝色LED，发明它的中村修二，天野浩，赤崎勇在2014年获得了诺贝尔物理学奖
LED全名Light Emitting Diode，发光二极管，根据名字判断可以发现它是一个发光的二极管。一般来说，二极管在电路中的作用像是一个阀门，能够阻止电流的逆流，它一般来说长这样，不像灯泡，也不发光。那么，为什么同为二极管，LED又是怎么在它的同类中脱颖而出的呢？
二极管长这样
要解释LED发光的原理，首先得从制作LED的材料---半导体开始讲起……
……不过在讲半导体之前，为了水一点字数，我们必须先讲讲电流……
电流
在导体中，原子和原子间特殊的化学键（chemical bond）导致了每个原子的外层电子可以挣脱原本原子的束缚，从一个原子的外层电字层“串门”到另一个原子的外层电子层中去。
可以看到在每个原子的电子壳层（蓝色环）外还有很多自由电子，它们就是那些“串门”的电子，也是可以传导电流的电子
在正常情况下，电子的“串门”时有发生，但它们的方向是随机的，因此也导致这个导体中没有净电流（net current）。也可以把这个情况理解为往各个方向的移动的电子造成的电流相互“抵消”了（但注意一下电流是标量（scalar），所以这只是一个比喻）。可是，当一个电池被接入电路时，电池会产生一个电场：电池的负极会有很多负电荷，排斥导体中同样带负电荷的电子；而电池的正极中的负电荷比负极少，甚至是直接带正电荷，因此导体中负极排斥电子的力大于正极排斥电子的力。在这个情况下，电子在移动中始终受到一个朝向电路中正极方向的力，因此往正极方向运动的电子会明显更多，便产生了净电流。
通过了解电流的本质，我们可以发现在电路中电子（电流）往哪里流动是取决于电场力的方向的，就像水流一样，永远只会往更低的地方（重力场方向）流动。的确，将电流比作水流在很多时候都是很形象的。
导体，绝缘体与半导体
在水完了电流的字数后，可以开始水半导体的字数了，这也是为什么这篇文章会想从离散能级的角度解释导体，绝缘体和半导体（不是）。在原子的内部，它周围的电子都待在不同的离散能级(discrete energy level)中，每一个离散能级都对应此能级中电子所拥有的能量。
这幅图描绘了原子中电子的离散层级，注意能量在这里都是负的（因为是相吸电场的势能）层级越高，势能越多
可以把它们想象成不同的楼层，楼层（层级）越高，里面居住的人（电子）的势能越多。同时，电子只能存在于这些“楼层”（离散层级）所在的高度中，不可能有待在2.5层的情况发生，在一个电子获得足够能量的时候，它会跃迁到更高的层级，像爬楼一样（在爬楼中是人体中的化学能转化为动能再转化为势能，在原子中是光能或热能转化为势能），而过一会它会重新跃迁回更低的层级，像跳楼一样，同时释放相应的能量（在跳楼中是势能转化成动能，在落地后转化为热能和声能（好似），在原子中是势能转化成光能），而这一点也是二极管会发光的基础。
而当这些原子排列在一起，形成固体时，情况发生了变化。紧密排列在一起的原子核对处在每一个能级中的电子都产生了相比先前更加强烈的吸引力，最终造成了离散能级的改变：相比原先极其分散的能级，现在这些能级之间三五成群，形成不同的能带（energy band）,而每一条能带都由许多距离紧密但仍然互相分离的能级组成，能带之间则会有较大的间隙，被称作带隙（band gap）。其中，包含了电子的最高能带被称为“价带”（valence band），而在此之上还有一条空的能带被称为“导带”（conduction
band）。
图中更高（能级）的黄色为导带，绿色为价带，蓝色为电子，导带和价带之间的就是带隙了
在导体中，价带只被部分填满，因此只要给它一点点能量，电子就可以跃迁到价带中稍高一点能级的空穴中，而只要对其施加一个电场，电子便可以像跳棋一样从一个原子的能级中“串门”到下一个相邻原子的空能级中，进行移动，形成电流。
导体中，价带部分是空的，为电子移动留足了“腾挪”的空间
而在绝缘体中，价带是被填满的，同时导带和价带的带隙，也就是能级差极其巨大。因此，价带中没有空穴给电子“串门”，毕竟每个门里都满了实在是没法装更多电子了，而带隙太大也导致除非对其施加极其巨大的能量，不然根本不会有电子跃迁到导带中给其他价带中的电子腾出移动的空隙，使形成电流成为可能，因此也造成了这一材料的绝缘性。
在绝缘体中，价带被填满，电子之间互相“僵持”住，谁也没办法动
半导体和绝缘体相似，它的价带被电子完全填满了，但它价带和导带之间的带隙却远小于绝缘体中的，导致如果有足够的能量（也就是温度），价带中的电子便可以跃迁到空的导带中，在价带中腾出空隙，足以形成电流。这也是为什么半导体在温度高时导电性增强，温度低时导电性减弱的原因。
半导体中，虽然价带也和绝缘体一样是满的，但较窄的带隙为电子跃迁进入导带创造了机会
电子吸收足够的能量后，跃迁进入导带，此时的半导体中导带有自由电子传输电流；价带也因电子跃迁进入导带腾出空间，也能够传导电流了
二极管
那么，半导体的这一性质在二极管中的意义是什么呢？一个纯的半导体在二极管中毫无作用，但如果往其中加入一些杂质原子，便会产生神奇的效果，而这一工序，便叫作掺杂（doping）。例如，在半导体硅(Si)中加入少量磷原子（或者类似性质的元素原子），因为磷与硅极为相近，便可以轻易地加进硅晶体中。但磷比硅多一个价电子（Valence electron），也就是外层电子，而这些个多余的电子会给这个掺杂的半导体增加一个正好在导带下的施主能级（donor level），里面都填满了电子。
导带下的施主能级（红色）
因此，只要施加一点点热能，这个能级中的电子便能轻易跳进导带中，并可以在电场中传导电流。
电子在施主能级中不能传导电流，但若是稍微施加一点温度，让施主能级的电子跃迁到稍高一点点的导带中，电子便可以自由传导电流了
由于这类半导体中移动的基本上都是电子，而电子带负电荷（negative charge），这种半导体被称作N型半导体（N-type）。
而如果在硅中加入少量硼原子（或者类似性质的元素原子），硼原子也能被加进硅晶体，可与磷不同的是，它比硅少一个价电子。这个少的电子会在价带上方带来一个空的受主能级（acceptor level）。
价带上的受主能级（紫色）
只要有一点点热能，价带中的电子便可以跳到受主能级中，在价带中留下空穴，给电子的“串门”留出空间，从而达到传导电流的目的。
同样的，电子在受主能级中无法传导电流，但可以为价带中的电子腾出可供移动的空穴
由于受主能级之间相距过远，无法使受主能级中的电子相互“串门”，这类半导体中的电流看似都是通过价带中电子离开后的“空穴”传导的。由于这些“空穴”实际上都是带正电荷（positive charge）的原子核，这类半导体被称作P型半导体（P-type）。但要注意的是在固态导体中原子核是不会移动的，P型半导体中的电流也只是在视错觉中看似是通过正电荷传播，实际上还是通过电子的移动传导的。
而当我们把P型和N型半导体放在一起时，有趣的现象发生了。在N型半导体中，电子的数量要多于P型半导体，但两种半导体本身都不带电。因此，N型半导体中的少数电子会在即使没有接上电路的情况下自然扩散（diffuse）到P型半导体的空穴中，导致P型半导体端略微带负电，而N型半导体端略微带正电。
N端因为有更多的电子，电子会开始扩散到P端，填充其中的空穴（精美演示图
）
至此，这块材料内部便产生了内建电场，电场的方向与电子的净移动方向相同，由于电子带负电，随着越来越多的电子移动到P型半导体中增强电场，这一电场逐渐开始阻止电子往P型半导体端移动，直到电场大到完全阻止任何电子通过，整个系统也达到了动态平衡（dynamic equilibrium），也就是说往两个方向移动的电子数完全相等。至此，半导体中形成了耗尽区（depletion region）：导带中没有电子，价带中没有空穴，因此，耗尽区也是像绝缘体一样无法传递电流的。这一拥有动态平衡的结构在电学中被称为PN结，P对应P型半导体，N对应N型半导体。
耗尽区中没有自由电子同时也没有空穴，因此无法传导电流（注意红色的施主能级和紫色的受主能级中的电子是无法传导电流的）
不过这时，当一个电池被接入含有这个半导体的电路后，如果电池的正极对应了二极管中PN结的P端，负极对应N端，电池产生电场力驱使的电子便会从N端进入，而二极管P端的电子便会离开二极管前往电池的正极。此时，在PN结的N端，电池的电子会逐渐涌入，变为可传导电流的自由电子，导致PN结中不可传导电流的耗尽区N端越来越窄。而PN结P端的电子会被电池的正极逐渐吸引走，留下可以传导电流的空穴，最终耗尽区P端也越来越窄。
蓝色空心圆中的电子被电池正极“吸走”，被蓝色箭头标出的电子被电池负极的斥力“推进来”，因此没有自由电子也没有空穴的耗尽区渐渐变窄。
渐渐地，PN结中不能传导电流的耗尽区在电池的外加电场的作用下被逐渐蚕食消除，随后二极管N端的自由电子便能自由通过P端的空穴从而传导电流，形成回路。这一种情况也被称为半导体的导通（conduction）状态。
不过，如果电池被以相反方向接通二极管，也就是电池的正极对应二极管中PN结的N端，负极对应二极管中PN结的P端，电池产生电场力驱使的电子便会从P端进入，而N端的电子会因电池正极吸引力的作用离开二极管。此时，在N端，自由电子随着被电池正极吸引走变得越来越少，导致不导电的耗尽区N端越来越宽。在P端，随着电池电子逐渐填满其中的空穴，耗尽区P端也越来越宽。
N型半导体中的自由电子被电池“吸走”，P型半导体中的空穴被电池的电子填满，拓宽了耗尽区
在这个情况下，电池的外加电场使PN结中绝缘的耗尽区越来越宽，因此电流也无法通过二极管。不过，由于这个情况下电池的外加电场和形成PN节的自建电场方向相同，在电压足够的情况下少数电子仍然能够被“挤”进PN结的耗尽区，在其中电场力的作用下直接飞越耗尽区，到达另一端。这一情况造成的电流一般来说太小了，以至于可以忽略不计，不过，如果电池的电压越来越大，那些电子飞越耗尽区的速度也会越来越快，知道它们的速度快到能够将耗尽区内部的非自由电子强行“撞”出去，使这些非自由电子变成自由电子，同时腾出空穴。而这些被撞出去的电子也能再将更多的非自由电子“撞”出去，进行一个有些像原子弹那样的链式反应，在原先绝缘的耗尽区内强行创造能导电的自由电子和空穴，使电流渐渐能够通过耗尽区，击穿二极管。这一情况也被称作雪崩击穿。
LED
现在，让我们回到先前讲半导体时所提到的离散能级这一类似“楼层”的概念中。我们现在知道，一个接通方向正确的使用PN结的二极管中，电子从N端流动向P端。不过，我们先前提到过N端中流动的电子处在能带中的导带里，而P端中传导电流的空穴处在导带下的价带中（这里的“上下”指的是能量的高低）。因此，当电子从N端流入P端后，它会“掉下“导带，落入价带的空穴中。在这个”下落“的机制中（实际上是以电子由导带跃迁至价带完成的），电子需要释放能量，从而自高能级的导带跃迁至低能级的价带，而这个释放的能量，便是光能。
浅蓝色箭头指示出电子从高能级的导带跃迁到低能级的价带中，同时释放出相应波长的光
在LED中，导带和价带之间的带隙间距会被调整到一个恰到好处的宽度，从而确保每一个从导带跃迁到价带中的电子都能稳定地释放出相应波长的可见光。而这，也是为什么LED灯成为了目前最省电的照明设备，因为相比于释放一整段连续光谱（continuous
spectrum），同时光谱主要还集中在不可见的红外光的白炽灯来说，只释放单一波长可见光的LED明显将转化出的光能都用在了刀刃上。同时，LED释放单一波长光线的特性也使其能够更好地被用于调和各种各样颜色的可见光，从而成为手机电脑显示屏等需要释放各种各样颜色光束的部件的不可或缺的一部分。
