發光二極管（LED）的工作原理可以分為以下幾個關鍵步驟來清晰解釋：

1. PN結的形成：

• LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，它們之間的過渡層被稱為PN結。P型半導體通過摻入少量三價元素（如硼）形成，其中含有許多空穴；而N型半導體則是通過摻入少量五價元素（如磷）形成，含有許多自由電子。

2. 電子和空穴的擴散與結合：

• 當P型半導體和N型半導體結合形成PN結時，由于兩者的導電特性不同，P型半導體的空穴會向N型半導體擴散，而N型半導體的自由電子會向P型半導體擴散。這種擴散在PN結的邊界處形成電場，稱為內建電勢。

3. 正向電壓的施加：

• 當給LED加上正向電壓（即將P端連接到正極，N端連接到負極）時，外加電壓與內建電勢疊加，減小了內部的電場強度，使得空穴和自由電子更容易向PN結的中心區域移動。

1. 電子和空穴的復合與發光：

• 在PN結的中心區域，空穴和自由電子重新結合（復合），這個過程釋放出能量。具體地，當電子從N型半導體的導帶躍遷到P型半導體的空穴價帶時，會釋放出能量，這部分能量被轉化為光能，產生了發光現象。

2. 光的顏色與亮度：

• 釋放出的能量多少（即能級躍遷的能量差）決定了光子的頻率，進而決定了光的顏色。例如，常用的LED可以發出紅光、綠光或黃光。

• LED的亮度則取決于通過PN結的電流大小，因此需要串聯限流電阻以控制電流，防止LED損壞。

3. LED的結構與封裝：

• 除了PN結外，LED還包括芯片（作為光源發光）、支架（用于散熱、導電）、金線（用于導電）和透明樹脂（用于保護晶粒、透光）等部分。

• 根據不同的封裝、發光面和特性，LED可分為插件型、貼片型、高功率型和LED數碼管等多種類型。

歸納而言，發光二極管（LED）的工作原理是基于PN結的電學特性和電子的能級躍遷。通過施加正向電壓，促進電子和空穴在PN結中的復合，釋放出能量并轉化為光能，從而實現發光。LED的發光顏色、亮度以及結構類型多種多樣，廣泛應用于顯示器、照明等領域。