为什么发光二极管更加节能环保

        今年的诺贝尔物理学奖让发光二极管成为了公众关心的焦点。近些年来，从发光二极管提供背光的液晶显示器到由其提供照明的台灯，这种新型的照明方式正在越来越多地出现在我们的生活中。那么，发光二极管与传统照明方式相比，有哪些优点，它又是如何为我们提供照明的呢？

        白炽：并不高明的发光

        在了解发光二极管的工作原理以及它为什么更加节能之前，我们不妨来看一下传统的白炽灯，也就是俗称的电灯泡是如何发光的。

        如果我告诉你，我们身边的所有物体都在发光，你可能会觉得非常惊讶。是呀，常识告诉我们，天空中只有恒星能发光，连月亮都是反射光；生活中除了电灯、蜡烛等，没看见其他的物体也在发光呀？

        科学家告诉我们，任何物体只要它的温度高于绝对零度，就无时无刻不在以电磁波的形式向外界散发能量，这叫热辐射。电磁波的波长从几千千米到不足1纳 米，跨越了巨大的范围，但是只有400~800纳米这很窄的一段才能被我们的眼睛所感知，这就是通常所说的可见光。所以我们可以说，包括我们自身在内的所有物体都在发光。

        然而一个物体发出的电磁波并不是均匀地覆盖所有的波长，而是主要地集中在某个波长附近，而这个波长的长短与物体的温度成反比。对于温度在室温附近的 物体来说，它们发出的电磁波主要集中在波长比可见光长的红外线，所以可见光的比例微乎其微。这就是我们看不见这些物体在发光的原因。

        随着物体温度一步步升高，它的热辐射不仅会变得更加强烈，而且发出的电磁波也逐渐变得以可见光为主，因此这些原本看不见发光的物体会变得明亮起来。 例如电炉丝加热到几百摄氏度时会发红，就是因为温度升高使得红光取代了红外线，在热辐射中占据了支配地位。如果温度继续升高到几千摄氏度，那么可见光中波 长更短的黄、绿、蓝等颜色的光也被大量释放出来。不同波长的可见光混合在一起，我们就看到了与阳光类似的白光，这就是白炽现象。在白炽灯出现之前，人们通过燃烧柴火、灯油或者各种蜡来照明，实际上也是在利用白炽现象，只不过这时候利用的是化学反应产生的高温；而白炽灯则是通过电流将钨丝加热到2,000摄 氏度以上，从而产生大量的可见光。

图 1 不同温度的物体的热辐射的比较，曲线由上至下分别是温度为15,000K（0K对应-273.15摄氏度）的恒星、温度为5,800K的恒星（太阳）、温 度为3,000K的恒星和温度为310K的人体可见物体。横纵坐标分别为波长（单位为纳米）和热辐射的相对强度，平行于纵坐标的窄色带表示可见光的范围。 由此可见物体温度必须足够高才会发出大量的可见光。

        白炽现象只是物体被加热时的一个“副产品”，而特地让白炽灯发光要消耗很大的电能，才能把灯丝加热到很高的温度，这并不是很划算。由于所有热辐射发出的电磁波都会覆盖一个宽广的波长范围，白炽灯在发出可见光的同时还会发出大量的红外线、紫外线等，它们对提供照明毫无帮助，却消耗了大量的能量。打个比方，某天你到食堂想买10元钱的馒头，大师傅却给你5毛钱的馒头和9.5元钱的米饭。你说我今天不要米饭，只要馒头；大师傅说不行，馒头和米饭只能这样搭配着卖。为了保证买到足够的馒头，你只好花200元买来10元的馒头，多花了 190元钱。白炽灯的工作原理就像这样，输入的电能只有5%左右能够被转化成可见光，其余都变成热能白白浪费掉了。

        白炽灯极低的效率不仅浪费大量的电能，产生的热量也带来了很多令人头疼的问题。这些热量传递到环境中，可能会让使用者感到不舒服，还会轻易地让周围 的纸张、布匹等可燃物质的温度升高到燃点以上，带来很大的火灾风险。另外，在几千摄氏度的高温下，许多常温下很稳定的物质都会变得非常活泼，这意味着灯丝很容易损坏。尽管现代的白炽灯使用熔点极高的钨丝，并将灯泡内部抽成真空或者充入惰性气体防止钨被氧化，白炽灯的使用寿命仍然不长，一般不超过1,000 小时。也就是说，哪怕灯泡质量再好，每天只用提供3~5小时的照明，一年左右也必须更换了。

        因此，尽管白炽灯为现代文明的进步做出了不可磨灭的贡献，仍然无法避免退出历史舞台的命运。目前，各国政府都已经将淘汰普通白炽灯列上了日程，未来几年时间内，白炽灯将逐渐从人们的视野中消失。那么谁来继续为我们提供照明呢？那就是发光原理截然不同的冷发光。

        效率更高的冷发光

        我们知道，如果用脚去踢一个放在地上的足球，那么每次足球飞起的速度都不尽相同，这是因为我们很难保证每次用力相同。然而如果让这个足球从二楼阳台 上自由落下，那么它总会以相同的速度落到地面。这是因为我们把足球从一楼带到二楼的过程中克服了重力的吸引，足球增加了势能。当足球从二楼落下时，增加的 势能释放出来，赋予了足球速度。由于楼层的高度是固定的，增加的势能也是固定的，足球落地时的速度自然也是相同的。

        我们还知道，原子是由原子核和核外的电子组成的，原子构成分子是这些电子相互作用把不同的原子维系起来的。无论在原子还是分子中，这些电子也像分别 住在一栋高楼中，高楼的每一个楼层被称为能级；楼层越高，对应的能量也就越高。一般来说，电子入住这样一栋高楼时，总是从能量最高的“一楼”开始，逐渐占据上面的楼层。当全部的电子入住完毕时，大楼里还会有许多楼层空着。假设某个分子中的电子占据了大楼的1~10层，如果我们把原本处在下层的电子移动到上一层，那么电子在这个过程中也增加了能量。如果让这个电子回到下层，那么多余的能量也会被释放出来，只不过不是增加速度，而是释放出电磁波。如果电磁波的 波长刚好在400~800纳米这个范围，那么电子在这个移动过程中就发出了可见光。演唱会上，歌迷手中挥动的萤光棒就是一个典型的例子。萤光棒买来时并不会发光，一旦我们将它弯曲，萤光棒内部原本被分隔开的几种化学物质混合到一起发生化学反应；反应释放出的能量让某些电子从能量低的状态进入能量高的状态， 当它们再次回到能量低的状态时，光就被释放出来了。

图2 冷发光的一种常见的原理：电子先从外界吸收能量，从能量较低的状态进入能量较高的状态；随后返回能量较低的状态，将多余的能量以可见光的形式放出。

        正在发光的荧光棒并不像点亮的白炽灯那样烫手，因此像萤光棒这样的发光通常被称为冷发光。冷发光并不需要像白炽灯那样将物体加热到很高的温度，因此对能量的利用率自然更高一些。冷发光还有一个独特之处，那就是一般不会像白炽发光那样覆盖一个很广的波长范围，而是集中于某一特定的波长。例如一根黄色的萤光棒绝不会发出红光或者蓝光，更不会发出对照明毫无帮助的红外线和紫外线，这也是冷发光对能量的利用率高于白炽发光的一个重要原因。

图3 萤光棒的发光是典型的冷发光。通常萤光棒只能发出一种颜色的光，通过改变萤光棒中化学物质的结构可以得到发不同颜色光的萤光棒。

        荧光灯：冷发光的典范

        前面提到的萤光棒是利用了化学反应让电子进入高能量的状态，我们也可以利用光来给电子提供能量。例如把一张钞票放在紫外灯下，我们会发现有的区域发出蓝光，这是因为这些区域里某些物质的电子能够吸收紫外线的能量，从而产生了冷发光。这样由光提供能量的冷发光被称为荧光或者磷光，而荧光灯就是利用了这一原理。

        荧光灯灯管的内壁涂有一层荧光粉，两端是钨制灯丝，灯管中添加少量的汞，并充入氩气等惰性气体。电路接通后，电流流经灯丝，大量的电子从灯丝中释放 出来。这些电子与灯丝中氩气的原子发生激烈的碰撞，使得氩原子中的一些电子逃逸出来；而氩原子自己则带上正电，变成了氩离子。这些电子和氩离子从灯管的一 端移动到另一端，在移动过程中放出的热量把液态汞变成了汞蒸汽；而进入到蒸汽中的汞原子也与电子和氩离子发生碰撞。碰撞的结果，大量的紫外线从汞蒸汽中被释放出来。荧光粉吸收紫外线的能量，随即产生荧光或者磷光现象。这些物质发出的不再是紫外线，而是可见光。这样，通过几道工序的互相配合，荧光灯就把电能 转化为光能。

        由于依靠冷发光原理提供照明，荧光灯的效率要大大高于白炽灯，可以将20~25%的电能转化为光能。荧光灯的使用寿命也大大长于白炽灯，理论上至少可以持续提供10,000小时的照明。不过人们仍然不满足这样的数字，于是又开发了另一种借助冷发光原理的灯具——发光二极管。

发光二极管是如何发光的？

        要了解发光二极管的工作原理，我们首先应该理解一个问题，那就是为什么有些材料能够导电，而另外一些却不行。一种材料能导电，必须有足够多的、能自由活动的电子。可是，在原子和分子中，电子总是呆在属于自己的固定位置上；大部分材料的电子需要很大的能量才能挣脱束缚，自由活动。这样的能量一般情况下并不存在，自然没有自由活动的电子，这些材料也就不能导电，这就是通常所说的绝缘体。少数材料如金属、盐的水溶液等，由于结构特殊，有大量的电子可以自由活动，这就是导体。

        还有一些材料则比较特别，例如硅。在室温下，它们的电子和绝缘体类似，只能呆在自己的位置上，不像金属的电子那样能够自由活动。但与大部分绝缘体不同的是，硅中的电子不需要很高的能量就能脱离自己固有的位置，于是硅的导电性能就高于一般的绝缘体。特别是温度升高后，这个能量变得更小，于是这些电子就更容易自由活动。这种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，我们称之为半导体。

        不过在实际应用中，让硅导电并不需要加热，而是通过“掺杂”。也就是向硅中引入别的元素，让它们的原子占据硅原子本来的位置。那么掺杂是如何提高硅的导电能力的呢？

        我们知道，一个原子要想与另一个原子结合形成分子，一般来说两个原子需要各自拿出一个电子互相结合，形成化学键。每个硅原子总共有14个电子，但只 有4个电子可以拿出来与别的原子结合，这意味着硅原子在形成晶体时，每个原子刚好可以与另外4个硅原子互相结合。如果硅中掺杂磷或砷，这两种元素都有5个 电子可以和别的原子结合，而周围的硅原子却只需要4个电子，于是多出来的那个电子不受约束，就可以在硅的晶体中随意走动。如果掺杂的磷原子足够多，就会有 大量的电子在硅的晶体中自由活动，硅的导电性就随之上升。像这样通过掺杂产生自由电子的半导体，我们称之为N型半导体。

        如果向硅中掺杂的是硼或者镓呢？这两种元素都只能拿出3个电子，可硅需要4个电子，因此总会有某个硅原子得不到足够的电子，这就形成了一个空穴。要 想把这个空穴填上，唯一的办法是“拆东墙补西墙”——从旁边的硅原子那里抢一个电子过来。可空穴又在旁边产生了，这个新的空穴自然又会从旁边的硅原子那里 把电子挖过来——这样不停地折腾，相当于空穴在硅的晶体中不停地移动，也相当于有电子在自由活动，硅也因此变得可以导电。像这样通过掺杂产生移动空穴的半 导体，我们称之为P型半导体。

图1 N型半导体（左）和P型半导体（右）的掺杂示意图。

        如果让一块N型半导体和一块P型半导体相接触，再把电源的正极与P型半导体相连，负极与N型半导体相连，构成一个完整的电路；那么N型半导体中存在的大量带 负电的自由电子，会穿过P型半导体向电源正极移动。同样，P型半导体中的带正电的空穴会穿过N型半导体向电源负极移动。在这两种半导体交界处，电子和空穴 相遇了。

        N型半导体中自由活动的电子处在能量相对较高的位置，而P型半导体中空穴却处在能量相对较低的位置；当它们相遇，电子会占据空穴原来的位置，这就好 比足球从二楼落到了一楼，多出了能量；而某些半导体材料多余的能量恰好可以以光的形式释放出来，于是，一支发光二极管就诞生了。

图2 发光二极管的基本构造：当P型和N型半导体相接触，且分别与电源的正极和负极相连时，P型半导体中的空穴向电源负极移动，N型半导体中的自由电子向电源正极移动。自由电子与空穴相遇后，多余的能量以光的形式释放。

        发光二极管的基本原理与荧光灯相同，都是冷发光现象；但是发光二极管发光效率比荧光灯还要高，可以将30%或者更高的电能转化为光能，而研究人员更 是希望将这个比例提高到60%。荧光灯点亮时虽然不像白炽灯那样烫手，还是能明显地让我们感觉到它在发热；而把手放在一盏发光二极管灯具上时，我们几乎感 觉不到发热，显然这意味着更少的电能被变成热能浪费掉。发光二极管的使用寿命也长于荧光灯，可以持续使用20,000小时不会损坏，有些更是可以达到 50,000小时。

        除了比荧光灯更加节能，发光二极管还由于不需要使用有毒的汞，避免了汞释放带来的环境危害。另外，发光二极管的构造也比荧光灯简单，因此更加小巧； 由此带来的使用上的便利以及降低运输过程中的能源消耗也不可忽视。比比看，你的电脑显示器的背光源从荧光灯替换到发光二极管后是不是轻薄了许多？

        冷发光如何发出白光？

        细心的朋友可能注意到了，与白炽灯相比，冷发光虽然有许多优点，但是也有一个问题，那就是只能发出一种颜色的光。对于指示灯、信号灯等用途，单色灯已经足够了，然而如果用于室内照明，单色光会让人觉得很不舒服。那么怎样才能让荧光灯和发光二极管发出柔和的白光呢？

        大家知道，白光是可见光中不同颜色的光混合的结果，所以要想利用冷发光得到白光，首先需要产生不同颜色的光。如果想改变足球从二楼落地的速度，可以站在不同层高的二楼让足球落下——层高不同，足球可以释放的能量也不同。同理也可以通过改变分子结构来调整电子所处的“层高”。我们之所以能够看到不同颜 色的萤光棒，就是因为其中添加了“层高”不同的分子，发出的光自然就迥异了。

        有了发出不同颜色的光的荧光灯或者发光二极管，我们就可以将它们组合起来形成白光，但实际上白光中虽然包含了许多不同颜色的光，但我们的眼睛只对其中红、绿、蓝最为敏感，因此只需要将这三种颜色的光按照一定比例混合，就会产生白光的效果。而红光和绿光混合又会产生黄光，所以要想产生白光效果，可以直接将黄光和蓝光混合，这种混合后能产生白光效果的两种颜色就是通常所说的互补色。荧光灯和发光二极管就是利用互补色来产生白光。

        荧光管的内壁通常涂有两种不同的荧光材料，受到紫外线照射时，它们分别发出黄色和蓝色的荧光，混合之后就达到了白色的效果。而常见的白光发光二极管则是将蓝光发光二极管封装到内壁涂有黄色荧光材料的灯管中——发光二极管产生的蓝光激发荧光材料产生黄光，二者混合之后达到白光的效果——这种白光发光二极管实际上相当于发光二极管与荧光灯的混合体。另一种常见的白光发光二极管，则是将发出红、绿和蓝这三种颜色的发光二极管封装在一起，从而达到白色的效果。不过，严格地说，荧光灯和白光发光二极管发出的并非真正的白光，而是通过巧妙的方式欺骗了我们的眼睛，让我们觉得与真正的白光并无二致。

图3 太阳（左）和白光发光二极管（右）的光谱对比，横纵坐标分别代表波长和不同波长的光的相对强度。

        让数字说话

        前面介绍了发光二极管这么多的优点，那么用发光二极管代替白炽灯或者荧光灯到底能够为我们节省多少呢？让我们来看一看根据美国的情况做出的估算。

        假设我们有一盏功率为60瓦的白炽灯，要达到与它同样的照明效果，荧光灯和发光二极管分别只需要14瓦、10瓦的功率就够了。如果用这三种灯具持续提供5万小时，也就是在每天照明6小时的情况下使用20多年，各自需要多少支出呢？

        白炽灯提供5万小时的照明需要耗去300美元的电费；另外，白炽灯的寿命一般只有1,000小时，这意味着在这20多年里我们需要更换40多只灯泡。尽管三种灯具中白炽灯最便宜，更换这么多灯泡仍然是一笔不小的支出，要50多美元，总的成本超过了350美元。荧光灯提供5万小时照明只需要70美元的电费，虽然它比白炽灯要贵，但由于使用寿命长，我们只需要花不到20美元买5只灯具就够了，因此总的支出大大降低，只有不到90美元。发光二极管提供5 万小时的照明需要消耗的电费更低，只有50美元，可惜由于目前发光二极管灯具仍然比较贵，节省的电费大部分被额外的灯具支出抵消。不过即便如此，用发光二 极管提供照明的总支出也只有约86美元，仍然低于荧光灯。可见，白炽灯电能浪费严重，效率最为低下，而用荧光灯和发光二极管提供照明则能明显节约能 源和资源。随着发光二极管生产技术的不断改进，相信发光二极管的成本还会大幅下降，到那时它还能够为我们带来更多的实惠。

图4 一支功率为60瓦的白炽灯与提供相同照明效果的荧光灯和白光发光二极管持续提供5万小时照明的费用比较（单位：美元）

        也许你会觉得一盏灯的差别微不足道，可是不要忘记，全世界范围内有不计其数的灯具在提供照明。仅在美国，每年就有超过10%的电力用于照明，如果效率 都能够得以提升，带来的能源和资源的节约将是非常可观的。无数的研究人员致力于开发比传统灯具更加节能环保的发光二极管，正是为了我们能够在享受美好生活 的同时更好地保护我们的家园。


（来源：科学公园   作者：嵌段共聚物 ）