LED为什么能发光?

文摘   科技   2024-07-19 19:01   浙江  

万物伊始,宇宙一片混沌,上帝穿行其间。第一天上帝轻手一挥说:“要有光。”于是有了白天和黑夜。
上帝创世纪干的第一件事是“开光”,可见光对于上帝和宇宙的重要性。而人类的文明史同样是人类利用和创造光的历史,我们在漫长地文明发展过程中,也是对光创造及其效率不断提升的过程。让我们先来看一看人类“发明”光的历程。

60万年前:

人类在大自然中发现了火(天火),并学会用篝火取暖、火炬照明。这是最初的人工光源。

7万年前(发光效率<1%):

人类在空心的岩石中塞入一些干苔藓、干树叶,用火点燃后摆放在山洞里。这是第一次真正意义上的人造光。

2万年前:

我们使用动物的油脂当做燃料来使用。发明出了动植物油灯。

公元前3000年:

蜡烛诞生了。虽然只是简单的油灯(动物脂肪,植物油)。

公元前500年:

将已有的蜡烛进行了改良了:制作出一个空腔器皿,把油放在里面,再将延伸于器皿外的灯芯点燃。如此

公元1700年:

人们发明了煤气灯:发现地底下涌出来的天然气也可以燃烧,将它导入细管,人为控制也可以点燃,并且效果极好。

18世纪初:

在宾夕法尼亚发现了石油,有些人尝试着将石油提炼,发现提炼后的油也可以点燃。他们将这种处理后的石油称之为煤油,并制作出煤油灯。

1879年(发光效率<5%):

托马斯·爱迪生发明了碳丝的白炽灯,虽然还是很容易被烧断,但在碳弧灯的基础之上有了很大的进步。

1944年(发光效率<25%):

美国在荧光灯的基础之上制造出环形荧光灯和长管型日光灯(8,90年代的主要照明工具)。

1961年:

美国又发明了金属卤化物灯,现在人们所使用的金卤灯与当时的金卤灯没有多大区别。

1962年:

Nick Holonyak Jr 发明出了发光二级管,此时的二极管光效很低,只能发出红、黄、蓝、绿、紫光,还不能发出白光,LED灯被传统光源所压制。

1993年(发光效率<40%):

中村修二博士发明出了超亮度蓝光二极管,白光LED被成功研发出来。

发光二极管

发光二极管(Light Emitting Diode):是一种会发光的半导体组件且具备二极管的电子特性。

我们来理解下它的重点:LED首先是一只二极管(结构),其次它会发光(功能)

既然LED在本质上还是一个二极管,那么我们就可以知道它的工作原理了:

二极管的“空穴”和“自由电子”在电压作用下流向PN结,当“空穴”和“自由电子”相遇而产生复合,当电子从导带跌落到较低能带,同时以光的形式释放出能量

这种方式直接产生特定波长的电磁波,而不是像电能或化学能转化为电磁波能量,产生很多我们所“看不见”的电磁波。所以LED转化光能的效率是非常高的。

可能有人会有错觉:电子从导带跌落到价带,那么电子受到的电磁力就更大了,那电磁能量是不是应该是增加了丫?

我们来打个比方:我不敢从1层楼的高度向下跳,就从1米高跳到地面上,是释放能量还是吸收能量?

很明显,我们跳下来时重力势能会做工转化成动能,相对重力势能来说是减小了。

所以,我们需要再复习一遍能级理论:离原子核越远的电子轨道,其电子的能级越高。打个不恰当的比方:好比我离地球越远,那么重力势能就越大。

同时,由于不同的半导体和杂质,“自由电子”和“空穴”复合后产生的能量不同(禁带宽度不同),所以根据不同的半导体材料和杂质材料,LED可以发出不同颜色(发光频率)的光。

如下图所示是可见光的波长分布,人类的视觉范围在可见光区域,当然LED能够发出紫外、红外等更多波长的不可见光,同时这些光在各种不同领域中都有十分广泛的应用。

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