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)該理解一個問題，那就是為什么有些材料能夠?qū)щ姡硗庖恍﹨s不行。一種材料能導(dǎo)電，必須有足夠多的、能自由活動的電子。若沒有自由活動的電子，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，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。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，這個能量變得更小，于是這些電子就更容易自由活動。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，一個原子要想與另一個原子結(jié)合形成分子，一般來說兩個原子需要各自拿出一個電子互相結(jié)合，形成化學(xué)鍵。每個硅原子總共有14個電子，但只有4個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，每個原子剛好可以與另外4個硅原子互相結(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個電子，于是多出來的那個電子不受約束，就可以在硅的晶體中隨意走動。如果摻雜的磷原子足夠多，就會有大量的電子在硅的晶體中自由活動，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個電子，可硅需要4個電子，因此總會有某個硅原子得不到足夠的電子，這就形成了一個空穴。要想把這個空穴填上，唯一的辦法是“拆東墻補西墻”，從旁邊的硅原子那里搶一個電子過來?？煽昭ㄓ衷谂赃叜a(chǎn)生了，這個新的空穴自然又會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，也相當(dāng)于有電子在自由活動，硅也因此變得可以導(dǎo)電。像這樣通過摻雜產(chǎn)生移動空穴的半導(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，負極與N型半導(dǎo)體相連，構(gòu)成一個完整的電路。當(dāng)它們相遇，電子會占據(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比例提高到60%。熒光燈點亮?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，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掉。發(fā)光二極管的使用壽命也長于熒光燈，可以持續(xù)使用2萬小時不會損壞，有些更是可以達到5萬小時。

　　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)造也比熒光燈簡單，因此更加小巧；由此帶來的使用上的便利以及降低運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，但是也有一個問題，那就是只能發(fā)出一種顏色的光。對于指示燈、信號燈等用途，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，就是因為其中添加了“層高”不同的分子，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，但我們的眼睛只對其中紅、綠、藍最為敏感，因此只需要將這三種顏色的光按照一定比例混合，就會產(chǎn)生白光的效果。而紅光和綠光混合又會產(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色。熒光燈和發(fā)光二極管就是利用互補色來產(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，它們分別發(fā)出黃色和藍色的熒光，混合之后就達到了白色的效果。而常見的白光發(fā)光二極管則是將藍光發(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、綠和藍這三種顏色的發(fā)光二極管封裝在一起，從而達到白色的效果。

　　前面介紹了發(fā)光二極管這么多的優(yōu)點，那么用發(fā)光二極管代替白熾燈或者熒光燈到底能夠為我們節(jié)省多少呢？讓我們來看一看根據(jù)美國的情況做出的估算。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，也就是在每天照明6小時的情況下使用20多年，各自需要多少支出呢？

　　白熾燈提供5萬小時的照明需要耗去300美元的電費；熒光燈提供5萬小時照明只需要70美元的電費，雖然它比白熾燈要貴，但由于使用壽命長，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5萬小時的照明需要消耗的電費更低，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，白熾燈電能浪費嚴重，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，相信發(fā)光二極管的成本還會大幅下降，到那時它還能夠為我們帶來更多的實惠。

　　也許你會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)有不計其數(shù)的燈具在提供照明。僅在美國，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)約將是非常可觀的。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更好地保護我們的家園。

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