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科普之LED照明:发展史、工作原理和未来前景

2015/06/04

 

      导语:LED灯具是家居照明领域的新产品。LED灯比白炽灯省电,寿命更长。那么LED灯究竟是如何工作的?Appliance Science今天给出了答案。

全文如下:

夜晚房屋里的光亮是从哪里来的?你也许会说是电视,蜡烛,荧光灯,白炽灯。要我说,现在使用LED节能灯的家庭越来越多。LED灯具正迅速取代“老式”荧光灯和白炽灯,成为人类战胜黑暗的新利器。

LED灯具的优势主要集中在三个方面:成本低、效率高、更安全。而且随着技术的进步,LED灯具的价格还会进一步下滑。现在,已经有些LED灯具比白炽灯还要便宜了。

重要的是,LED灯具的寿命比传统灯具长。这得归功于大批科学家和电气工程师的努力,他们帮助LED灯具建立了数十亿美元的新市场。

诞生历史

LED,也就是发光二极管,最早出现在上世纪初。当时的研究人员发现,将电流施加到某种类型的晶体二极管上,就能使其发光。

这种晶体二极管的发光方法和传统材料的发热发光不同,在当时属于未知领域。研究人员无法解释这种现象(后人称为场致发射),只得将其搁浅。直到50年代,它才被照明设备公司启用,用来制作LED灯具。

最早问世的LED灯具是红外LED,也就是红外发光二极管,也有科学家称之为半导体发光二极管,用砷化镓(GaAs)材料制成。

后来,在此基础上,研究人员又用砷化镓,做出了能散发红光和黄光的LED灯。比起早期产品,这些LED灯的光线更亮更持久。

然而,当时的LED灯具普遍存在一个问题,那就是只能发出单一频率(也就是单一颜色)的光。用做计算机显示器倒没有什么问题,但用作家庭照明就稍显单调了些。

家用LED灯具需要能发出一系列频率范围的可见光,特别是和太阳一样的白光。白炽灯很容易就能发出白光,但场致发射效应特殊的工作原理,使LED灯具的频率不能调节,再加上频带又窄,无法简单地发射出白光来。

工作原理

LED的基本结构是一块半导体芯片,这芯片是光亮的主要来源。LED内的芯片为两层晶体结构,晶体中“掺杂”有其它化学物质。

这种“掺杂”意味着芯片其中一层晶体必须放弃其拥有的大量高能电子,以便为另一层晶体提供存放低能电子的空间。用专业技术语言来讲,LED芯片由p层半导体元素和n层半导体元素构成。电子在p层和n层间移动而重新排列组合,这也就是所谓的pn结构。

用通俗的话来说,pn结构就像瀑布,向其施加电压,电路阴极位于n层半导体元素上,电流就能流畅地在两层半导体元素间流动。相反,流动就会受阻。就好象瀑布一样,水流只能顺着一个方向走。

   有趣的事情就在此刻发生了。就像瀑布会制造噪音一样,电子在LED芯片的pn结构间流动从而发射出光线。这是因为电子在从n层往p层流动时,能量水平下降,从p层的高能级下降到n层的低能级。这种能量水平的变化能释放光子,也就是大家看到的“灯光”。

释放多少光子,取决于两层半导体元素间的能量水平差,也就是“带隙”。电子从高能级向低能级移动,产生的能量差,就是光子。简单地说,带隙越大,释放的能量就越多,其所发出光的光波就越短。

早期LED芯片的带隙小,那么光子光波就长,在肉眼看来就是发出红光。后来,工程师们找到了制造LED的新方法,让带隙变大,那么光波就会变短,橙色、绿色、蓝色光就这样诞生了。

随着时间的推移,制造LED灯变得越来越复杂,因为创造“大”带隙的pn结构非常困难。带隙越大,两层半导体元素越不容易结合在一起,越容易分解。

制作半导体元素层最好用氮化镓(gallium nitride,GaN),但氮化镓很脆弱。而且在加工中“掺杂”进去的其它化学物,会受材料结晶方式的干扰。晶体结的越大,芯片就越大,就能发出更强的光。

最近,三名日本科学家发明了“高亮度蓝光LED”,并因此获得了诺贝尔奖。赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)在用电子显微镜观察氮化镓结晶时,偶然制作出了蓝色结晶体,这是世界上首次实现蓝色LED。

白色LED

蓝色LED的诞生,为白色LED出现铺平了道路,因为用荧光粉可将蓝光LED转变为白色。荧光粉是一种化学物质,能够吸收光子,然后将它们以不同高频率发射出来。

市面上有各种荧光粉材料,能将蓝光变成绿色、红色。所以,只要选对荧光粉,厂家就能制作出散发白光的LED灯来。

赤崎勇、天野浩和中村修二的发明,推动了比白炽灯更高效的LED灯的诞生。60瓦的白炽灯能照亮整个房间,10瓦的LED灯就能达到同样效果。

而且,LED灯没有灯丝,不需要充入气体,所以寿命更长也更安全。诚然,LED芯片的晶体层会随着时间流逝而分解,但这时间科比白炽灯的寿命要长得多。

正因为如此,大家都称颂LED灯更高效节能。再加上制造商已研究提升产能和降低成本的方法,使得LED灯具能取代白炽灯,成为新时代家居照明方式。

LED灯具的未来

多项测试证实,LED灯具确实比白炽灯或荧光灯效率更高,寿命更长,也更省电。

当然,LED灯具并不完美,例如它不能像白炽灯一样被调暗调亮。因为就算降低施加在LED上的电压,光输出也不会改变。当然,我们可以通过迅速开/关LED来减少光输出,但这么做有时候会带来不理想的闪烁效果。

为了避免LED灯出现不正常的“闪烁”,厂商会小心控制灯泡内单一LED芯片的开和关,最新款菲利普斯100W可更换LED灯泡,就有效地避免了闪烁现象。

将各种荧光粉混合到一起,LED灯具就能发出白光。佐治亚大学最新发明了一种新型荧光剂,能制造出范围更广的光线频率,简化LED灯的制造过程和成本。

未来,LED灯具会变得更便宜、更有效、更让人舒适。显然,这一“新兴”领域还有很多技术难题有待解答,但总有一天,在不久的将来,家家户户都会换上LED节能灯。

 

注:转自 Newhua牛华网:www.newhua.com/2014/1122/285270.shtml