說在開頭：關(guān)于玻爾原子模型（1）

盧瑟福的模型面臨著與經(jīng)典電磁波理論的矛盾，按照經(jīng)典電磁波理論，盧瑟福的原子不可能穩(wěn)定存在超過1秒鐘。玻爾面臨著選擇：要么放棄盧瑟福模型，要么放棄麥克斯韋偉大的電磁理論。玻爾鼓足勇氣放棄了后者，他深刻的洞察到在原子這樣的微觀層面上，靜電理論將不再成立，必須引入新的革命性思想：量子化思想以及普朗克常數(shù)h。玻爾在哥本哈根埋頭苦干：門捷列夫的元素周期律已經(jīng)被驗(yàn)證了，而且種種跡象表明原子的內(nèi)部，有一種潛在的規(guī)律支配著它們的行為，并形成某種特定的模式。

1913年初，漢森來請(qǐng)教玻爾：在他量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜性問題？對(duì)于這個(gè)問題，在玻爾看來原子光譜太雜亂無章，不能從中得出什么有用信息；然而漢森告訴玻爾，這里其實(shí)是有規(guī)律的，比如巴爾末公式。玻爾一頭霧水，他當(dāng)時(shí)還不知道巴爾末公式。當(dāng)年基爾霍夫大師和本生用本生燈燒了n多的物質(zhì)，總結(jié)出來不同元素有不同的顏色，而后在1885年，瑞士數(shù)學(xué)家巴爾末發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律，并總結(jié)了一個(gè)公式來表示這些波長(zhǎng)之間的關(guān)系：v = R*[(1/22)-(1/n2)]，其中R是德伯常數(shù)，n是大于2的整數(shù)；我們可以看到n可以3或則4，但不可以是3.5，這不就是量子化的表述么？玻爾深吸一口氣，發(fā)出了如當(dāng)年王陽明龍場(chǎng)悟道般的龍吟聲，原來如此啊：原子只能放射出波長(zhǎng)符合某種量子規(guī)律的輻射，即E=hv，頻率是能量的度量，原子只釋放特定波長(zhǎng)的輻射，說明在原子內(nèi)部只能吸收或發(fā)射特定的能量。玻爾突破了障礙后，對(duì)原子的結(jié)構(gòu)做了如下的總結(jié)：

1. 電子在一些特定的、可能的軌道上做繞核做著圈圈運(yùn)動(dòng)，離核越遠(yuǎn)則能量愈高（越遠(yuǎn)表示勢(shì)能越大，作用力越小），而可能軌道的電子角動(dòng)量必須是h/2π的整數(shù)倍；

2. 電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才會(huì)發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，只能釋放出符合巴爾末公式的電磁波頻率的能量：E = hv；

我們?cè)俅位氐奖R瑟福的原子模型里：

1. 電子像行星一樣繞著原子核運(yùn)行，當(dāng)電子離核最近的時(shí)候能量最低；

2. 一旦電子吸收了特定的能量，它便獲得了向上攀登的動(dòng)力，上升了一級(jí)或幾級(jí)臺(tái)階，從而穩(wěn)定地到達(dá)一個(gè)新的軌道；

3. 當(dāng)它從高軌道掉落下來，就再次以輻射的形式釋放出來；

4. 最關(guān)鍵的是在這一過程中，電子只能釋放或吸收特定的能量，而非連續(xù)的。

玻爾現(xiàn)在清楚了，氫原子的光譜線代表了電子從一級(jí)特定的臺(tái)階躍遷到另一級(jí)臺(tái)階所釋放的能量，因?yàn)橛^測(cè)到的光譜線是量子化的，所以電子的臺(tái)階必定也是量子化的。他將這些思想轉(zhuǎn)化成理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)表達(dá)，并最終以三篇論文的形式發(fā)表。這三篇分別題名為：《論原子和分子的構(gòu)造》，《單原子核體系》和《多原子核體系》，1913年3月到9月陸續(xù)寄給了遠(yuǎn)在曼徹斯特的盧瑟福，并由后者推薦發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上，這就是量子物理歷史上劃時(shí)代的文獻(xiàn)，即偉大的“三部曲”。

1913年9月份，有人去問愛因斯坦關(guān)于玻爾的原子模型，愛因斯坦給出了很高的評(píng)價(jià)，他許多年前也有過類似的想法，但是沒敢跟別人說。而索末菲給玻爾寫了封信，表示自己對(duì)玻爾的理論很感興趣；索末菲有幾個(gè)老鄉(xiāng)，一個(gè)是愛因斯坦的老師閔可夫斯基（之前提過他用幾何學(xué)解釋愛因斯坦雙生佯謬），另一個(gè)是數(shù)學(xué)大神希爾伯特（20世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)家）。（參考自：曹天元-上帝擲骰子嗎，吳京平-無中生有的世界）

一，發(fā)光基二極管

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）：是一種會(huì)發(fā)光的半導(dǎo)體組件且具備二極管的電子特性；所以，LED首先是一只二極管（結(jié)構(gòu)），其次它會(huì)發(fā)光（功能）。

LED工作原理是：二極管的“空穴”和“自由電子”在電壓作用下流向PN結(jié)，當(dāng)“空穴”和“自由電子”相遇而產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)電子從導(dǎo)帶跌落到較低能帶，同時(shí)以光的形式釋放出能量；這種方式轉(zhuǎn)化光能的效率非常高。

可能有人會(huì)有錯(cuò)覺：電子從導(dǎo)帶跌落到價(jià)帶，那么電子受到的電磁力就更大了，那電磁能量是不是應(yīng)該是增加了丫？

那我們不舉栗子，來打個(gè)比方：我不敢從1層樓的高度向下跳，就從1米高跳到地面上，是釋放能量還是吸收能量？很明顯，我們跳下來時(shí)重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，相對(duì)重力勢(shì)能來說是減小了。所以，我們?cè)賮韽?fù)習(xí)一遍能級(jí)理論：離原子核越遠(yuǎn)的電子軌道，其電子的能級(jí)越高。好比我離地球越遠(yuǎn)，那么重力勢(shì)能就越大是一樣的。

同時(shí)，由于不同的半導(dǎo)體和雜質(zhì)，“自由電子”和“空穴”復(fù)合后產(chǎn)生的能量不同（禁帶寬度不同），所以根據(jù)不同的半導(dǎo)體材料和雜質(zhì)材料，LED可以發(fā)出不同顏色（發(fā)光頻率）的光，下圖是可見光的波長(zhǎng)分布；人類的視覺范圍在可見光區(qū)域，當(dāng)然LED能夠發(fā)出紫外、紅外等更多波長(zhǎng)的不可見光，同時(shí)這些光在各種不同領(lǐng)域中都有十分廣泛的應(yīng)用。

?1，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)和種類

LED的工作原理跟其它二極管相比似乎并沒有特殊的地方，所有PN結(jié)結(jié)構(gòu)的二極管正向?qū)ê蠖紩?huì)有“自由電子”和“空穴”復(fù)合的現(xiàn)象發(fā)生，但是為什么我們只看到了LED發(fā)光，而其它二極管沒見到它們發(fā)光呢？

我覺得這很大部分原因取決于發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，它由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

1. 芯片：光源發(fā)光；

2. 支架：包括襯底及散熱基座、引腳等（散熱、導(dǎo)電）；

3. 金線：導(dǎo)電；

4. 透明樹脂：保護(hù)晶粒、透光。

1. LED芯片通過透明樹脂/塑料保護(hù)外罩，可以讓光穿透“封裝”傳到外面；而普通二極管被塑封在不透明的外殼中，光線被阻擋在封裝里面；

2. 普通二極管不會(huì)去設(shè)計(jì)PN結(jié)中“自由電子”和“空穴”復(fù)合后釋放的能量大小，所以能量對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)很可能落在可見光之外。

我們正常在設(shè)備或單板上使用的LED燈，只是發(fā)光二極管中很少的一部分。各種不同的發(fā)光二極管已經(jīng)覆蓋了我們生活的方方面面，包括：手機(jī)電筒，強(qiáng)光手電，家用節(jié)能燈，夜視監(jiān)控?cái)z像頭，以及各種顯示數(shù)碼管等等。

根據(jù)LED的不同封裝、發(fā)光面和特性的不同，LED大致分成如下幾個(gè)類型：

1. 插件型LED：插件型LED除了常見的2個(gè)腿的單色型LED，還包括3個(gè)引腳的雙色型LED，此外還有4個(gè)引腳的RGB全彩LED；

2. 貼片型LED：常貼片型SMD的LED分為0402、0603、0805、1206等封裝，顏色有單色、雙色和RGB全彩；

——插件和貼片型LED在單板上應(yīng)用非常多，多用于設(shè)備功能、狀態(tài)和接口狀態(tài)指示等；

3. 高功率LED：這類LED通常是照明用途，多數(shù)是發(fā)白色光的LED，功率可達(dá)數(shù)瓦；

4. LED數(shù)碼管：將多個(gè)LED作為各個(gè)字段，組成特定字母、數(shù)字、米字型，或則條段型等；

5. LED點(diǎn)陣屏：將LED組成矩陣式，可顯示中英文字母，按顏色，可以是單色、雙色或RGB全彩；

6. 智能LED：這種LED不僅內(nèi)含LED燈芯，還內(nèi)置了控制電路，能實(shí)現(xiàn)特定的功能，如閃爍或命令控制各個(gè)點(diǎn)的顏色等；

7. 特殊LED：可發(fā)出人眼睛不可見光：如紅外線、紫外線等；用于遙控器、夜視監(jiān)控等。

2，發(fā)光二極管主要參數(shù)

1. 正向電壓VF：指正向電流流過時(shí)，陽極A與陰極K之間產(chǎn)生的電壓；

1, 當(dāng)正向電壓小于閾值：電流極小，不發(fā)光；

2, 當(dāng)正向電壓超過閾值：正向電流隨電壓迅速增加、發(fā)光；

3, 當(dāng)正向電壓超過工作電壓范圍：LED可能被擊穿；

4, 不同發(fā)光顏色的LED，其正常的正向電壓也不同，如紅燈：1.8~2.0V；藍(lán)、白燈：2.8~3.3V。

2. 正向電流IF：指加正向電壓時(shí)，陽極A與陰極K之間產(chǎn)生的電流；

1, 一般LED的正向電流控制在20mA以內(nèi)（具體根據(jù)器件資料），過大的電流容易導(dǎo)致LED的Tj過高，從而導(dǎo)致LED損壞或影響使用壽命；

2, LED在電壓增加時(shí)，電流類似普通二極管指數(shù)增加，需要串接保護(hù)電阻。

3. 發(fā)光強(qiáng)度IV： 表示從特定方向觀測(cè)到的亮度（單位：cd /mcd）；

1, 光強(qiáng)是指單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，比較光強(qiáng)時(shí)需要注意指向角；

2, 透鏡可以向特定方向集中光輸出（透鏡集光），即使光輸出小也能集光使光強(qiáng)變大；

3, IV值需指定LED是在多大的正向電流IF條件下測(cè)量到的。

這里出現(xiàn)了一個(gè)特殊的單位：cd/mcd；這是國(guó)際單位制中與長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量等組成了7個(gè)國(guó)際基本單位。這么有來頭的單位，我們將它翻譯成中文是：坎德拉/毫坎德拉；這個(gè)單位的名字初一看毫無頭緒，再一看還是一臉懵逼；那我們只能將中文名再音譯回英文名：Candle；然后再意譯成中文：燭光。

不錯(cuò)，坎德拉最早指的是一只蠟燭發(fā)出來的光的強(qiáng)度；后來定義：光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，一單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光稱為1坎德拉。在地球上賦予萬物以生命的太陽光強(qiáng)度約為：1.5*109?cd/m2；而充滿詩情畫意的月光強(qiáng)度大約為：1000?cd/m2。

那又出來一個(gè)新的名詞：流明。這又是什么？我們繼續(xù)往下看。

1. 光通量Φv：指從光源發(fā)射出來的全部光量（單位：lm/流明）；

光通量（luminous flux）是指：人眼所能感覺到的輻射功率（光源向四周輻射的總光能量），它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)視見率不同，所以不同波長(zhǎng)光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。

——舉個(gè)栗子，人眼對(duì)藍(lán)綠色敏感（視見率大），而對(duì)紅色和紫色不敏感（視見率小），所以發(fā)出同等綠色和紅色功率的光，我們感受到的光強(qiáng)度是不一樣的。

2. 主波長(zhǎng)λD：LED一般用波長(zhǎng)表示顏色，主波長(zhǎng)相當(dāng)于眼睛看到的顏色所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（單位：nm）；

1, 白色一般由其它顏色復(fù)合（RGB/B+Y）所得；

2, 不同LED材料對(duì)應(yīng)的發(fā)光顏色，如下圖所示；

3. 色度坐標(biāo)：指用二維正交坐標(biāo)系（x（R）和y（G））表示LED發(fā)光顏色的實(shí)際值；因?yàn)閳D表中R+G+B = 1，所以沒標(biāo)出的B = 1-R-G；如下圖所示。

4. 色溫：喜歡攝影的朋友應(yīng)該比較熟悉，是指光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，黑體的溫度就稱為該光源的色溫；色溫越低，顏色越偏向橙色，色溫越高，顏色越偏向藍(lán)色。

那黑體（Black body）是什么呢？是顏色全黑的物體么？

我們來看下黑體的定義：一個(gè)理想化的物體，它能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射。換句話說，黑體對(duì)于任何波長(zhǎng)的電磁波的吸收系數(shù)為1，反射系數(shù)為0。

黑體不一定是黑色的，即使它沒辦法反射任何的電磁波，它也可以放出電磁波來，而這些電磁波的波長(zhǎng)和能量則全取決于黑體的溫度，不因其他因素而改變；太陽可以看做是黑體。（關(guān)于黑體，在《19世紀(jì)物理學(xué)的兩朵烏云》中的黑體輻射問題里有介紹）

若黑體的溫度高過700K的話，黑體就不再是黑色的了，它會(huì)開始變成紅色，并且隨著溫度的升高，而分別有橘色、黃色、白色等顏色出現(xiàn)，即黑體吸收和放出電磁波的過程遵循了光譜，其分布為普朗克分布（或稱為黑體軌跡）。在黑體的光譜中，由于高溫引起高頻率（短波長(zhǎng)），因此較高溫度的黑體靠近光譜結(jié)尾的藍(lán)色區(qū)域而較低溫度的黑體靠近紅色區(qū)域。

所以我們看到一種反直覺的現(xiàn)象：物體發(fā)出來光，隨著溫度增加，從“暖色調(diào)”變成了“冷色調(diào)”。我初中時(shí)上下學(xué)都會(huì)路過一家鐵匠鋪，偶爾停下來看鐵匠打造鋤頭（當(dāng)年有武器大師的夢(mèng)想），然后發(fā)現(xiàn)：鐵塊剛從爐子里拿出來是白色的，但隨著溫度慢慢降低，鐵塊的顏色從白色慢慢變成了紅色、暗紅色。

1. 發(fā)光視角： 發(fā)光強(qiáng)度分布圖中發(fā)光強(qiáng)度等于最大強(qiáng)度一半構(gòu)成的角度稱為半值角，從發(fā)光強(qiáng)度角來分，可分為三類：

1, 高指向：半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性；作為局部照明光源用或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；

2, 標(biāo)準(zhǔn)型：其半值角為20°～45°，通常作指示燈用；

3, 散射型：半值角為45°～90°或更大，用作視角較大的指示燈。

2. 工作溫度： 影響二極管工作的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)光強(qiáng)電流等參數(shù)都有很大影響；

3. 使用壽命：LED是固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)沒有松動(dòng)的部分，不存在發(fā)熱易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?#xff0c;使用壽命可達(dá)6萬到10萬小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上；

4. V-I特性： LED的電壓和電流之間的關(guān)系；示意圖如下圖所示。

3，發(fā)光二極管應(yīng)用場(chǎng)景

LED具有最大正電流IFM和最大反向電壓VRM，在使用時(shí)應(yīng)保證不超過此值；設(shè)計(jì)時(shí)一般要求：IF<0.6*IFM，VR<0.6*VRM。

LED廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和電子設(shè)備中：

1. 用作指示：設(shè)備電源/工作狀態(tài)指示，通信端口工作狀態(tài)指示，板內(nèi)芯片工作狀態(tài)指示等；

2. 用作光源：LED手電筒，手機(jī)照明燈等；

3. 紅外光LED：視頻監(jiān)控夜視光源，電視機(jī)遙控器等。

寫在最后

終于完成了二極管基礎(chǔ)知識(shí)相關(guān)章節(jié)總結(jié)輸出；希望大家能對(duì)二極管工作原理，類型以及應(yīng)用場(chǎng)景有了新的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際工作中能將二極管工作原理和應(yīng)用串聯(lián)起來，在硬件設(shè)計(jì)中更加可靠的使用它。

同時(shí)這也是半導(dǎo)體基礎(chǔ)的開始，接下來將是更加復(fù)雜的三極管、MOS管和IGBT，我們也將從“不可控開關(guān)”進(jìn)階到“可控開關(guān)”；雖然它們的工作核心都是一樣的：PN結(jié)，但是器件從一個(gè)“PN結(jié)”變成由多個(gè)“PN結(jié)的組合”，就如同易經(jīng)所說：道生一，一生二，二生三，三生萬物；無論多復(fù)雜（幾億）規(guī)模的芯片，都是從“PN結(jié)”、三極管、MOS管們演化而來?，F(xiàn)在我們理解了“一”，接下來我們就開始學(xué)習(xí)那“二”和“三”。

本章部分相關(guān)內(nèi)容和圖片參考自：網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)共享知識(shí)。下一章《三極管基礎(chǔ)》。