2014年的诺贝尔物理学奖授予了三位日本裔物理学家。获奖的三位日本裔物理学家对白光发光二极管的发明做出了重大贡献，使得白光发光二极管作为新型照明光源开始普及。白光发光二极管最大的优点就是发光效率高，广泛地应用可以极大地为人类节约宝贵的能源。在生活中，白光发光二极管已经比较常见，那么这个小东西怎么就能发出明亮的光呢?了解了原子、晶体、半导体和pn结后就可以知道二极管发光的秘密。

　　原子与晶体

　　我们知道单个原子中的电子在原子核电场力的作用下围绕着原子核运动，由于微观粒子服从量子力学原理，这些电子只能处于固定的能量状态上，也就是处于固定的能级上。当电子从高能级跃迁到低能级时，会辐射一个光子，光子的能量等于电子减少的能量;相反，当电子吸收一个光子后，会从低能级跃迁到高能级。

图1 原子能级与晶体能带的示意图

　　图2 氯化钠晶体和硅晶体的原子排列结构(图片来自网络)

　　在现实生活中，原子大都以固态、液态或气态凝聚在一起存在，这时其中的电子会受周围原子的影响，电子存在的能量状态就发生了变化。有一类特殊的固体已对我们的生活产生了巨大的影响，那就是晶体。晶体材料中的半导体晶体是我们信息时代的物质基础，我们使用的电子产品中的芯片都是基于半导体晶体材料制造的。

　　晶体由单一的原子或分子组成。其中的原子或分子按规则的结构排列，每立方厘米的晶体中有1023数量级的原子。相比于单个原子，晶体中每个原子中电子要受周围所有原子的影响，原子的能级就分裂成大量密集的微小能级形成能带，也就是说电子只能处于能带中的能量状态上。由于晶体原子排列的周期性，除了晶体表面及其附近的极少数原子，每个原子的状态基本相同，这样就可以把晶体的电学性质作为一个整体来研究。能带中的电子浓度就是指单位晶体里处于这个能带中的电子数量。

　　导体、半导体与绝缘体

　　图3 导体、半导体与绝缘体的能带示意图

　　对于导体晶体(比如金属铜)，最外层能带为价带。导体价带被电子部分占满，价带电子可以吸收外电场能量到未被电子占据的微小能级，形成电流。所以，导体晶体有较强的导电能力。对于半导体晶体和绝缘体晶体，最外层的能带为导带，次外层的能带为价带。通常所说的禁带，是指导带和价带之间的禁带。导带底到价带顶的宽度称为禁带宽度，禁带宽度的单位为能量单位，通常用电子伏(eV)表示。导带如果存在少量电子，在外电场作用下，这些电子也可以形成电流;价带如果被电子占满，则形成满带，满带不能导电。

　　半导体晶体(比如硅)导带中原则上是不存在电子的，实际由于环境中的热激发(晶格原子振动和电子运动是热的两种存在形式)，会将价带中少量电子激发到导带上，同时在价带形成带正电荷的空穴，所以半导体是由导带电子和价带空穴一起参与导电，电子和空穴统称载流子。空穴导电本质是价带电子导电，把价带电子导电等效成价带空穴导电易于理论分析。当电子从导带直接跃迁到价带与空穴复合，就会辐射一个光子，光子能量等于禁带宽度。如果把半导体放到绝对零度的环境中，失去热激发，半导体的导带和价带就分别失去了电子和空穴，从而失去导电能力。而绝缘体与半导体是类似的，绝缘体晶体(比如金刚石)的禁带宽度很宽，价带电子跃迁到导带需要很高的能量，在常温下几乎没有价带电子被激发到导带，所以绝缘体在常温下几乎不导电。这里的半导体和绝缘体是以导电性来划分的，实际上金刚石有半导体的一系列特性，也可以作为半导体材料。