發光二極管，這種新型的照明方式正在越來越多地出現在我們(men) 的生活中。上期節目，我們(men) 談到了熒光燈依靠冷發光原理提供照明的方法，那麽(me) 發光二極管借助冷發光原理又是如何工作的？為(wei) 什麽(me) 發光二極管更加節能環保？與(yu) 白熾燈相比有哪些優(you) 點呢？

　　要了解發光二極管的工作原理，我們(men) 首先應該理解一個(ge) 問題，那就是為(wei) 什麽(me) 有些材料能夠導電，而另外一些卻不行。一種材料能導電，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，也就不能導電，這就是通常所說的絕緣體(ti) 。而金屬、鹽的水溶液等，由於(yu) 結構特殊，有大量的電子可以自由活動，這就是導體(ti) 。

　　還有一些材料則比較特別，例如矽。在室溫下，它們(men) 的電子和絕緣體(ti) 類似，隻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(yu) 大部分絕緣體(ti) 不同的是，矽中的電子不需要很高的能量就能脫離自己固有的位置，於(yu) 是矽的導電性能就高於(yu) 一般的絕緣體(ti) 。特別是溫度升高後，這個(ge) 能量變得更小，於(yu) 是這些電子就更容易自由活動。這種導電能力介於(yu) 導體(ti) 和絕緣體(ti) 之間的材料，我們(men) 稱之為(wei) 半導體(ti) 。

　　不過在實際應用中，讓矽導電並不需要加熱，而是通過“摻雜”。也就是向矽中引入別的元素，讓它們(men) 的原子占據矽原子本來的位置。我們(men) 知道，一個(ge) 原子要想與(yu) 另一個(ge) 原子結合形成分子，一般來說兩(liang) 個(ge) 原子需要各自拿出一個(ge) 電子互相結合，形成化學鍵。每個(ge) 矽原子總共有14個(ge) 電子，但隻有4個(ge) 電子可以拿出來與(yu) 別的原子結合，這意味著矽原子在形成晶體(ti) 時，每個(ge) 原子剛好可以與(yu) 另外4個(ge) 矽原子互相結合。如果矽中摻雜磷或砷，這兩(liang) 種元素都有5個(ge) 電子可以和別的原子結合，而周圍的矽原子卻隻需要4個(ge) 電子，於(yu) 是多出來的那個(ge) 電子不受約束，就可以在矽的晶體(ti) 中隨意走動。如果摻雜的磷原子足夠多，就會(hui) 有大量的電子在矽的晶體(ti) 中自由活動，矽的導電性就隨之上升。像這樣通過摻雜產(chan) 生自由電子的半導體(ti) ，我們(men) 稱之為(wei) N型半導體(ti) 。

　　如果向矽中摻雜的是硼或者镓，這兩(liang) 種元素都隻能拿出3個(ge) 電子，可矽需要4個(ge) 電子，因此總會(hui) 有某個(ge) 矽原子得不到足夠的電子，這就形成了一個(ge) 空穴。要想把這個(ge) 空穴填上，唯一的辦法是“拆東(dong) 牆補西牆”，從(cong) 旁邊的矽原子那裏搶一個(ge) 電子過來。可空穴又在旁邊產(chan) 生了，這個(ge) 新的空穴自然又會(hui) 從(cong) 旁邊的矽原子那裏把電子挖過來，這樣不停地折騰，相當於(yu) 空穴在矽的晶體(ti) 中不停地移動，也相當於(yu) 有電子在自由活動，矽也因此變得可以導電。像這樣通過摻雜產(chan) 生移動空穴的半導體(ti) ，我們(men) 稱之為(wei) P型半導體(ti) 。

　　如果讓一塊N型半導體(ti) 和一塊P型半導體(ti) 相接觸，再把電源的正極與(yu) P型半導體(ti) 相連，負極與(yu) N型半導體(ti) 相連，構成一個(ge) 完整的電路。當它們(men) 相遇，電子會(hui) 占據空穴原來的位置，這就好比足球從(cong) 二樓落到了一樓，多出了能量；而某些半導體(ti) 材料多餘(yu) 的能量恰好可以以光的形式釋放出來，於(yu) 是，一支發光二極管就誕生了。

　　發光二極管的基本原理與(yu) 熒光燈相同，都是冷發光現象；但是發光二極管發光效率比熒光燈還要高，可以將30%或者更高的電能轉化為(wei) 光能，而研究人員更是希望將這個(ge) 比例提高到60%。熒光燈點亮時雖然不像白熾燈那樣燙手，還是能明顯地讓我們(men) 感覺到它在發熱；而把手放在一盞發光二極管燈具上時，我們(men) 幾乎感覺不到發熱，顯然這意味著更少的電能被變成熱能浪費掉。發光二極管的使用壽命也長於(yu) 熒光燈，可以持續使用2萬(wan) 小時不會(hui) 損壞，有些更是可以達到5萬(wan) 小時。

　　除了比熒光燈更加節能，發光二極管不需要使用有毒的汞，避免了汞釋放帶來的環境危害。另外，發光二極管的構造也比熒光燈簡單，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(cong) 熒光燈替換到發光二極管後是不是輕薄了許多。

　　與(yu) 白熾燈相比，冷發光雖然有許多優(you) 點，但是也有一個(ge) 問題，那就是隻能發出一種顏色的光。對於(yu) 指示燈、信號燈等用途，單色燈已經足夠了，然而如果用於(yu) 室內(nei) 照明，單色光會(hui) 讓人覺得很不舒服。那麽(me) 怎樣才能讓熒光燈和發光二極管發出柔和的白光呢？

　　我們(men) 知道，白光是可見光中不同顏色的光混合的結果，所以要想利用冷發光得到白光，首先需要產(chan) 生不同顏色的光。如果想改變足球從(cong) 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構來調整電子所處的“層高”。我們(men) 之所以能夠看到不同顏色的螢光棒，就是因為(wei) 其中添加了“層高”不同的分子，發出的光自然就不同了。

　　有了發出不同顏色光的熒光燈或者發光二極管，我們(men) 就可以將它們(men) 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(men) 的眼睛隻對其中紅、綠、藍最為(wei) 敏感，因此隻需要將這三種顏色的光按照一定比例混合，就會(hui) 產(chan) 生白光的效果。而紅光和綠光混合又會(hui) 產(chan) 生黃光，所以要想產(chan) 生白光效果可以直接將黃光和藍光混合，這種混合後能產(chan) 生白光效果的兩(liang) 種顏色就是通常所說的互補色。熒光燈和發光二極管就是利用互補色來產(chan) 生白光。

　　熒光管的內(nei) 壁通常塗有兩(liang) 種不同的熒光材料，受到紫外線照射時，它們(men) 分別發出黃色和藍色的熒光，混合之後就達到了白色的效果。而常見的白光發光二極管則是將藍光發光二極管封裝到內(nei) 壁塗有黃色熒光材料的燈管中，二者混合之後達到白光的效果。另一種常見的白光發光二極管，則是將發出紅、綠和藍這三種顏色的發光二極管封裝在一起，從(cong) 而達到白色的效果。

　　前麵介紹了發光二極管這麽(me) 多的優(you) 點，那麽(me) 用發光二極管代替白熾燈或者熒光燈到底能夠為(wei) 我們(men) 節省多少呢？讓我們(men) 來看一看根據美國的情況做出的估算。假設我們(men) 有一盞功率為(wei) 60瓦的白熾燈，要達到與(yu) 它同樣的照明效果，熒光燈和發光二極管分別隻需要14瓦、10瓦的功率就夠了。如果用這三種燈具持續提供5萬(wan) 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(wan) 小時的照明需要耗去300美元的電費；熒光燈提供5萬(wan) 小時照明隻需要70美元的電費，雖然它比白熾燈要貴，但由於(yu) 使用壽命長，我們(men) 隻需要花不到20美元買(mai) 5隻燈具就夠了，因此總的支出大大降低，隻有不到90美元。發光二極管提供5萬(wan) 小時的照明需要消耗的電費更低，隻有50美元，可惜由於(yu) 目前發光二極管燈具仍然比較貴，節省的電費大部分被額外的燈具支出抵消。不過即便如此，用發光二極管提供照明的總支出也隻有約86美元，仍然低於(yu) 熒光燈。

　　可見，白熾燈電能浪費嚴(yan) 重，效率最為(wei) 低下，而用熒光燈和發光二極管提供照明則能明顯節約能源和資源。隨著發光二極管生產(chan) 技術的不斷改進，相信發光二極管的成本還會(hui) 大幅下降，到那時它還能夠為(wei) 我們(men) 帶來更多的實惠。

　　也許你會(hui) 覺得一盞燈的差別微不足道，可是不要忘記，全世界範圍內(nei) 有不計其數的燈具在提供照明。僅(jin) 在美國，每年就有超過10%的電力用於(yu) 照明，如果效率都能夠得以提升，帶來的能源和資源的節約將是非常可觀的。無數的研究人員致力於(yu) 開發比傳(chuan) 統燈具更加節能環保的發光二極管，正是為(wei) 了我們(men) 能夠在享受美好生活的同時更好地保護我們(men) 的家園。

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