發(fā)光二極管，這種新型的照明方式正在越來越多地出現(xiàn)在我們的生活中。上期節(jié)目，我們談到了熒光燈依靠冷發(fā)光原理提供照明的方法，那么發(fā)光二極管借助冷發(fā)光原理又是如何工作的？為什么發(fā)光二極管更加節(jié)能環(huán)保？與白熾燈相比有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

　　要了解發(fā)光二極管的工作原理，我們首先應(yīng)該理解一個(gè)問題，那就是為什么有些材料能夠?qū)щ?，而另外一些卻不行。一種材料能導(dǎo)電，必須有足夠多的、能自由活動(dòng)的電子。若沒有自由活動(dòng)的電子，也就不能導(dǎo)電，這就是通常所說的絕緣體。而金屬、鹽的水溶液等，由于結(jié)構(gòu)特殊，有大量的電子可以自由活動(dòng)，這就是導(dǎo)體。

　　還有一些材料則比較特別，例如硅。在室溫下，它們的電子和絕緣體類似，只能呆在自己的位置上，不像金屬的電子那樣能夠自由活動(dòng)。但與大部分絕緣體不同的是，硅中的電子不需要很高的能量就能脫離自己固有的位置，于是硅的導(dǎo)電性能就高于一般的絕緣體。特別是溫度升高后，這個(gè)能量變得更小，于是這些電子就更容易自由活動(dòng)。這種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，我們稱之為半導(dǎo)體。

　　不過在實(shí)際應(yīng)用中，讓硅導(dǎo)電并不需要加熱，而是通過“摻雜”。也就是向硅中引入別的元素，讓它們的原子占據(jù)硅原子本來的位置。我們知道，一個(gè)原子要想與另一個(gè)原子結(jié)合形成分子，一般來說兩個(gè)原子需要各自拿出一個(gè)電子互相結(jié)合，形成化學(xué)鍵。每個(gè)硅原子總共有14個(gè)電子，但只有4個(gè)電子可以拿出來與別的原子結(jié)合，這意味著硅原子在形成晶體時(shí)，每個(gè)原子剛好可以與另外4個(gè)硅原子互相結(jié)合。如果硅中摻雜磷或砷，這兩種元素都有5個(gè)電子可以和別的原子結(jié)合，而周圍的硅原子卻只需要4個(gè)電子，于是多出來的那個(gè)電子不受約束，就可以在硅的晶體中隨意走動(dòng)。如果摻雜的磷原子足夠多，就會(huì)有大量的電子在硅的晶體中自由活動(dòng)，硅的導(dǎo)電性就隨之上升。像這樣通過摻雜產(chǎn)生自由電子的半導(dǎo)體，我們稱之為N型半導(dǎo)體。

　　如果向硅中摻雜的是硼或者鎵，這兩種元素都只能拿出3個(gè)電子，可硅需要4個(gè)電子，因此總會(huì)有某個(gè)硅原子得不到足夠的電子，這就形成了一個(gè)空穴。要想把這個(gè)空穴填上，唯一的辦法是“拆東墻補(bǔ)西墻”，從旁邊的硅原子那里搶一個(gè)電子過來?？煽昭ㄓ衷谂赃叜a(chǎn)生了，這個(gè)新的空穴自然又會(huì)從旁邊的硅原子那里把電子挖過來，這樣不停地折騰，相當(dāng)于空穴在硅的晶體中不停地移動(dòng)，也相當(dāng)于有電子在自由活動(dòng)，硅也因此變得可以導(dǎo)電。像這樣通過摻雜產(chǎn)生移動(dòng)空穴的半導(dǎo)體，我們稱之為P型半導(dǎo)體。

　　如果讓一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體相接觸，再把電源的正極與P型半導(dǎo)體相連，負(fù)極與N型半導(dǎo)體相連，構(gòu)成一個(gè)完整的電路。當(dāng)它們相遇，電子會(huì)占據(jù)空穴原來的位置，這就好比足球從二樓落到了一樓，多出了能量；而某些半導(dǎo)體材料多余的能量恰好可以以光的形式釋放出來，于是，一支發(fā)光二極管就誕生了。

　　發(fā)光二極管的基本原理與熒光燈相同，都是冷發(fā)光現(xiàn)象；但是發(fā)光二極管發(fā)光效率比熒光燈還要高，可以將30%或者更高的電能轉(zhuǎn)化為光能，而研究人員更是希望將這個(gè)比例提高到60%。熒光燈點(diǎn)亮?xí)r雖然不像白熾燈那樣燙手，還是能明顯地讓我們感覺到它在發(fā)熱；而把手放在一盞發(fā)光二極管燈具上時(shí)，我們幾乎感覺不到發(fā)熱，顯然這意味著更少的電能被變成熱能浪費(fèi)掉。發(fā)光二極管的使用壽命也長(zhǎng)于熒光燈，可以持續(xù)使用2萬小時(shí)不會(huì)損壞，有些更是可以達(dá)到5萬小時(shí)。

　　除了比熒光燈更加節(jié)能，發(fā)光二極管不需要使用有毒的汞，避免了汞釋放帶來的環(huán)境危害。另外，發(fā)光二極管的構(gòu)造也比熒光燈簡(jiǎn)單，因此更加小巧；由此帶來的使用上的便利以及降低運(yùn)輸過程中的能源消耗也不可忽視。比比看，你的電腦顯示器的背光源從熒光燈替換到發(fā)光二極管后是不是輕薄了許多。

　　與白熾燈相比，冷發(fā)光雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也有一個(gè)問題，那就是只能發(fā)出一種顏色的光。對(duì)于指示燈、信號(hào)燈等用途，單色燈已經(jīng)足夠了，然而如果用于室內(nèi)照明，單色光會(huì)讓人覺得很不舒服。那么怎樣才能讓熒光燈和發(fā)光二極管發(fā)出柔和的白光呢？

　　我們知道，白光是可見光中不同顏色的光混合的結(jié)果，所以要想利用冷發(fā)光得到白光，首先需要產(chǎn)生不同顏色的光。如果想改變足球從二樓落地的速度，可以站在不同層高的二樓讓足球落下——層高不同，足球可以釋放的能量也不同。同理也可以通過改變分子結(jié)構(gòu)來調(diào)整電子所處的“層高”。我們之所以能夠看到不同顏色的螢光棒，就是因?yàn)槠渲刑砑恿恕皩痈摺辈煌姆肿?，發(fā)出的光自然就不同了。

　　有了發(fā)出不同顏色光的熒光燈或者發(fā)光二極管，我們就可以將它們組合起來形成白光，但實(shí)際上白光中雖然包含了許多不同顏色的光，但我們的眼睛只對(duì)其中紅、綠、藍(lán)最為敏感，因此只需要將這三種顏色的光按照一定比例混合，就會(huì)產(chǎn)生白光的效果。而紅光和綠光混合又會(huì)產(chǎn)生黃光，所以要想產(chǎn)生白光效果可以直接將黃光和藍(lán)光混合，這種混合后能產(chǎn)生白光效果的兩種顏色就是通常所說的互補(bǔ)色。熒光燈和發(fā)光二極管就是利用互補(bǔ)色來產(chǎn)生白光。

　　熒光管的內(nèi)壁通常涂有兩種不同的熒光材料，受到紫外線照射時(shí)，它們分別發(fā)出黃色和藍(lán)色的熒光，混合之后就達(dá)到了白色的效果。而常見的白光發(fā)光二極管則是將藍(lán)光發(fā)光二極管封裝到內(nèi)壁涂有黃色熒光材料的燈管中，二者混合之后達(dá)到白光的效果。另一種常見的白光發(fā)光二極管，則是將發(fā)出紅、綠和藍(lán)這三種顏色的發(fā)光二極管封裝在一起，從而達(dá)到白色的效果。

　　前面介紹了發(fā)光二極管這么多的優(yōu)點(diǎn)，那么用發(fā)光二極管代替白熾燈或者熒光燈到底能夠?yàn)槲覀児?jié)省多少呢？讓我們來看一看根據(jù)美國(guó)的情況做出的估算。假設(shè)我們有一盞功率為60瓦的白熾燈，要達(dá)到與它同樣的照明效果，熒光燈和發(fā)光二極管分別只需要14瓦、10瓦的功率就夠了。如果用這三種燈具持續(xù)提供5萬小時(shí)，也就是在每天照明6小時(shí)的情況下使用20多年，各自需要多少支出呢？

　　白熾燈提供5萬小時(shí)的照明需要耗去300美元的電費(fèi)；熒光燈提供5萬小時(shí)照明只需要70美元的電費(fèi)，雖然它比白熾燈要貴，但由于使用壽命長(zhǎng)，我們只需要花不到20美元買5只燈具就夠了，因此總的支出大大降低，只有不到90美元。發(fā)光二極管提供5萬小時(shí)的照明需要消耗的電費(fèi)更低，只有50美元，可惜由于目前發(fā)光二極管燈具仍然比較貴，節(jié)省的電費(fèi)大部分被額外的燈具支出抵消。不過即便如此，用發(fā)光二極管提供照明的總支出也只有約86美元，仍然低于熒光燈。

　　可見，白熾燈電能浪費(fèi)嚴(yán)重，效率最為低下，而用熒光燈和發(fā)光二極管提供照明則能明顯節(jié)約能源和資源。隨著發(fā)光二極管生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，相信發(fā)光二極管的成本還會(huì)大幅下降，到那時(shí)它還能夠?yàn)槲覀儙砀嗟膶?shí)惠。

　　也許你會(huì)覺得一盞燈的差別微不足道，可是不要忘記，全世界范圍內(nèi)有不計(jì)其數(shù)的燈具在提供照明。僅在美國(guó)，每年就有超過10%的電力用于照明，如果效率都能夠得以提升，帶來的能源和資源的節(jié)約將是非?？捎^的。無數(shù)的研究人員致力于開發(fā)比傳統(tǒng)燈具更加節(jié)能環(huán)保的發(fā)光二極管，正是為了我們能夠在享受美好生活的同時(shí)更好地保護(hù)我們的家園。

　　想要了解更多科普信息，可以搜索微信公眾號(hào)“feichangkexue”關(guān)注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非常科學(xué)”與我們互動(dòng)。好了，今天的非常科學(xué)到這里又要跟大家說再見了。主持人亞楠代表編輯制作感謝您的收聽，明天同一時(shí)間與您相約《非?？茖W(xué)》。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)